三元乙丙绝热材料炭化层结构及力学特性表征研究

炭化层是绝热材料烧蚀过程中物理、化学和力学相互耦合作用的桥梁和纽带,其结构和力学性能的表征是绝热材料烧蚀预示数值计算的关键因素。文中针对三元乙丙绝热材料炭化层结构进行了分析,并基于炭化层多孔介质特性,利用固体多孔介质理论建立了炭化层关于孔隙率为参数的力学表征模型;根据炭化层强度测定结果,确定炭化层强度表征系数,建立炭化层破坏准则,从而为绝热材料烧蚀预示数值计算提供炭化层力学性能参数。     

绝热材料炭化层孔隙结构及烧蚀气体状态分析

炭化层结构是绝热层烧蚀的重要影响因素,为进一步了解烧蚀过程中炭化层孔隙结构的特点,采用多孔介质体烧蚀模型进行数值模拟分析。用Arrhenius公式实时计算炭化层内沉积反应增加的碳量以及氧化反应消耗的碳量,获得了烧蚀过程中炭化层孔隙结构的演化规律。同时获得了炭化层内烧蚀气体的流速和压强的量级与分布情况,为进一步探索烧蚀过程中炭化层的机械剥蚀打下基础。     

冲压发动机高硅氧/酚醛绝热层烧蚀数值模拟

以多层炭化烧蚀模型及冲压发动机近进气道部分工况对某采用高硅氧/酚醛绝热层的发动机补燃室进行了数值模拟.模拟结果表明,温度分布对炭化速度以及烧蚀坑的出现及烧蚀坑的位置有重要影响.采用孔隙率进行烧蚀判断的方法对于烧蚀率的计算较为准确,与实验值符合较好.但是,该方法缺乏对气流冲蚀作用的动态耦合,因而计算中烧蚀坑并不明显.     

火箭发动机喷管喉部和扩散段的温度测量和传热计算

本测试技术用于记录火箭发动机喷管喉部和扩散段的瞬时温度,计算喷管喉部内的传热,研究喷管绝热材料的碳化和烧蚀现象。文中给出了喷管绝热材料中温度分布及碳化层位置、速度和厚度随发动机燃烧时间的变化关系;叙述了利用热电偶测量过澎胀喷管中的气流分离     

炭化层对粒子反弹系数测量实验研究

炭化层粒子的反弹系数是固体火箭发动机中两相流动计算的一个重要参数。文中设计并建立了测量粒子侵蚀炭化层反弹系数的实验系统,应用直径为1.5mm的粒子对炭化层进行了不同角度下的侵蚀反弹试验,测得各入射角下的法向及切向反弹系数。通过对实验数据应用准牛顿优化算法进行三次方多项式拟合得到法向反弹系数和切向反弹系数随侵蚀角的变化关系式,可为粒子对绝热材料的侵蚀力的计算及固体火箭发动机两相流动计算提供参考。     

旋转条件下长尾喷管绝热层烧蚀预示

文中基于旋转条件下长尾喷管发动机三维两相流场计算结果,通过提取烧蚀边界参数,分析了该条件下的绝热层烧蚀机理,建立了二维炭化烧蚀模型。开展了不同颗粒直径和旋转速度条件下的绝热层烧蚀预示。计算结果表明旋转条件下烧蚀部位发生显著变化,且烧蚀率随旋转速度的增加而增大;后封头部位的烧蚀主要是由旋转引起的颗粒冲刷主导。     

粒子侵蚀条件下硅橡胶复合材料烧蚀特性研究

为研究粒子侵蚀条件下硅橡胶复合材料的烧蚀规律和特性,采用一种可调节射流和粒子浓度的氧气-煤油燃气发生器,开展了烧蚀角度为15°~45°、粒子质量浓度范围为0~3.69%条件下的烧蚀试验,获得了粒子侵蚀对烧蚀率的影响规律。通过对试样的宏观形貌和微观结构进行分析,并结合热红联用试验,分析了硅橡胶复合材料的烧蚀特性和烧蚀过程。研究结果表明：粒子浓度对硅橡胶复合材料的烧蚀率有显著影响;随着粒子浓度的增加,质量烧蚀率急剧增大;随着烧蚀角度的增加,线烧蚀率增加、质量烧蚀率降低;硅橡胶复合材料烧蚀后形成炭化层、热解层、基体3层结构;材料热分解温度范围约为516~710 ℃,主要产物是环己烷以及少量CO₂和H₂O;粒子侵蚀破坏了表面炭化层结构的完整性,引起试样表面质量迁移,并促进了材料内部的热分解。     

过载对固体火箭发动机影响的研究

通过发动机的地面旋转过载试验,获得了在旋转过载条件下固体火箭发动机的性能曲线及绝热层的烧蚀率,经与地面静止点火试验数据对比分析后认为:降低推进剂的铝粉含量,可以减轻粒子流对绝热层的烧蚀、冲刷作用;同时优化喷管型面,可以减少粒子沉积,减轻粒子流对喷管的烧蚀冲刷作用。     

炭-炭复合材料耐高温和高速粒子烧蚀/侵蚀研究

为了模拟固体火箭发动机绝热材料的工作环境,在氧气和煤油为燃料的燃气中加入Al2O3粒子,对炭-炭复合材料进行烧蚀试验。计算超音速燃流的温度和速度分布特性,得出超音速火焰各气动参量呈抛物线分布的规律。对试件的烧蚀形貌进行电子扫描观察和对燃烧产物进行光谱验证,并计算试件的烧蚀率,得出炭-炭复合材料在超音速火焰和高速粒子烧蚀/侵蚀不同条件下的不同的烧蚀机理。     

含笼型八苯基硅倍半氧烷的三苑乙丙橡肢绝热层材料研究

将笼形八苯基硅倍半氧烷(OPS)应用于三元乙丙橡胶(EPDM)绝热材料,测定了EPDMl OPS绝热材料的力学性能、线烧蚀率、烟雾和密度等主要性能。结果表明,用OPS取代部分聚磷酸铵( APP)的EPDM绝热材料的线烧蚀率、烟雾和密度均明显降低,力学性能也有提高。     

三种镀覆层材料抗烧蚀性能评价

设计了烧蚀模拟试验装置 ,进行了烧蚀模拟试验 ,评价了镀铬层与 Ta- 10 W覆层、激光处理前后的镀铬层的耐烧蚀性能 ,分析讨论了烧蚀试验结果 .镀铬层以剥落的形式破坏 ,镀铬层经激光处理后与基体的结合力增强 ,镀铬层不再剥落 ,耐烧蚀性能改善 ,Ta- 10 W覆层的耐烧蚀性能最好     

核辐射对先进复合防热材料烧蚀性能的影响

本文叙述了为确定模拟核辐射环境对碳酚醛材料烧蚀性能的影响所进行的试验及试验结果。试验是在空军飞行动力实验室50兆瓦再入端头试验设备上进行的。试验时采用了几种破坏方法并且研究了这些方法对材料性能的影响。试验所得到的数据已被用于改进烧蚀响应的理论模型。本文还研究了非等温热电偶测量的影响以及由除气作用和层裂所引起的材料膨胀的影响。试验结果表明,材料的烧蚀响应主要取决于炭化层的膨胀特性,但材料的性能也有显著的影响。模拟核辐射环境对这些材料烧蚀性能的影响是很小的。     

三元乙丙橡胶绝热层的烧蚀特性研究

基于一种半装药的高过载地面模拟试验发动机,针对不同推进剂铝粉含量和绝热层材料开展了三次发动机过载试验,获得了绝热层宏观烧蚀规律,通过电镜分析了EPDM的烧蚀模型。结果表明:(1)三元乙丙橡胶绝热层较丁羟基绝热层更抗烧蚀、抗冲刷;(2)推进剂的铝粉含量越高,燃气对三元乙丙绝热层的冲刷越严重,绝热层的烧蚀率越大;(3)通过试验分析,验证了三元乙丙绝热层的碳化、热解、基体的烧蚀模型。     

高成碳率有机硅树脂的合成

烧蚀高分子材料用于火箭推进系统,可有效地对结构材料实行热防护,从而减轻消极重量,改进发动机性能,增大射程和有效运载载荷。因此,现代固体火箭发动机基本上都采用烧蚀材料做发动机衬里和喷管。本文讨论了树脂配方与硬度和反应活性的关系,配方对热稳定性和烧蚀性能的影响以及合成工艺条件对树脂性能的影响。报告了研究成功的两种高性能烧蚀有机硅树脂的特点和以它们为基础,配合相应填料制成的烧蚀涂料的性能。     

基于数字图像处理的热防护材料烧蚀形貌重构方法

通过二维图像扫描仪获取硅橡胶类热防护层材料烧蚀试样切片图像。采用Matlab图像处理技术对烧蚀试样切片图像进行预处理,然后使用Otsu方法来对烧蚀试样图像进行分割获取试样切片的烧蚀边界。通过Matlab编程进行图像处理计算得到了试样表面局部烧蚀量,由表面积分得到的烧蚀质量与称重获得的烧蚀质量误差较小。证明了基于Matlab图像处理技术的耐烧蚀材料烧蚀形貌重构方法简单经济并且能够保证数据的精确性。该研究成果为后续完善此类热防护材料烧蚀模型提供了有效的技术支持。     

炮管磨损烧蚀膛面的分析

对炮管磨损与烧蚀膛面的分析长期以来是采用普通金相法。用普通金相法已确证在炮管烧蚀膛面存在变质层,而且它的机械强度和显微组织不同于原始炮钢。一般,变质层比未变质的钢软些,具有不同的冶金组织,存在微观和宏观裂纹。     

烧蚀台阶现象及对喷管性能的影响分析

喷管内型面由不同材料对接而成,对接面处不可避免地会出现烧蚀台阶。本文对喷管的烧蚀台阶现象进行分析,说明了烧蚀台阶的成因和不利影响;对台阶对局部流场的影响进行仿真,展示了不同尺度的涡流现象;对不同台阶位置和深度时的喷管内流场进行计算,分析了其对喷管性能的影响。计算结果表明喉衬后缘的大尺寸烧蚀台阶对喷管性能影响很大,必须在喷管设计中予以避免。     

某脉冲发动机传热特性分析

为研究侧喷管脉冲发动机的传热性能,运用流体计算软件对发动机进行流固耦合换热数值计算,分析发动机工作过程中的瞬态换热.数值计算结果与试验结果的一致性较好,验证了数值方法的准确性.研究结果表明:不同材质基座的温度场结构基本一致,由于材料热物性的不同,壁面的温度梯度会存在一定的差异;燃气的涡旋流动是造成内壁面高温及烧蚀主要原因,烧蚀产生的金属氧化物颗粒会加剧燃气的侵蚀效应,铝质基座需具备热防护部件.     

测温范围为3000—5000°F(1649—2760°C)的箔状热电偶

自十多年前采用箔状热电偶以来,人们对那些以往视为不可测量的温度进行了测量。这些温度是:压力高达80,000psi情况下的大口径舰炮膛面温度、响应时间低于10ms的激波管表面温度、火箭和导弹在侵蚀和烧蚀条件下的内表而温度、高温和高热流情况下各种绝热材料的热特性和物理特性、通过辅承和旋转轴之间的润滑油膜的温度梯度以及内燃机内的温度。因此,要求一种具有裸露二元端头的热电偶,即使其探头表面受到烧蚀时,也能以微秒的响应速度进行测量,同时还要求热端在受侵蚀和烧蚀情况下,必须具有继续工作的能力。     

固体火箭发动机用高性能有机硅烧蚀材料研究

本文讨论了有机硅树脂的结构(R/Si,Me/Ph,分子链形态和共聚单体的组成)对材料热稳定性和烧蚀性能的影响。采用特殊的合成工艺和正确的配方设计,可以合成出具有线型支化结构的树脂。它热失重小、成炭率高、炭化层强度大、耐冲刷性能好。利用填料之间在高温下发生吸热化学反应来设计材料配方,可有效地降低冷壁温度,改善烧蚀性能。