幾種發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯材料實(shí)踐應(yīng)用淺析

【摘 要】通過(guò)對(duì)幾種常用喉襯材料在發(fā)動(dòng)機(jī)小推力、長(zhǎng)時(shí)間工作條件下的對(duì)比分析，提出了工程中較為合理可行的方案。

【關(guān)鍵詞】喉襯 燒蝕 材料

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)是高溫燃?xì)猓袝r(shí)還含有一定量的融熔態(tài)顆粒。燃?xì)饬鬟^(guò)噴管時(shí)對(duì)壁面急劇加熱、沖刷及燒蝕，可能會(huì)使噴管內(nèi)型面遭到破壞。同時(shí)，燃?xì)獾臒崃客ㄟ^(guò)壁面向外壁傳導(dǎo)，使噴管壁面材料的溫度升高。因此噴管熱防護(hù)設(shè)計(jì)非常重要。

熱防護(hù)層通常分為兩層：上層為耐燒蝕層，用以抗熱沖擊、化學(xué)和機(jī)械作用；下層為絕熱層，用以減少向噴管殼體壁的傳熱。由于耐燒蝕材料的價(jià)格通常隨著耐熱性能的提高而提高，所以應(yīng)分段采用不同的材料。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高溫燃?xì)庠趪姽軆?nèi)流動(dòng)，喉部及其上下游受熱較嚴(yán)重，溫升較高，且有高速氣流沖刷，容易造成嚴(yán)重?zé)g。喉襯選材的好壞，對(duì)燃?xì)獾牧鲃?dòng)有很大影響，直接關(guān)系到喉襯效率和推力的大小。喉襯燒蝕不僅使火箭彈密集度變壞，更使內(nèi)彈道性能（P-T曲線）變壞，甚至熄火。因此，喉襯必須采用耐熱性能好的材料。

一、產(chǎn)品參數(shù)分析

不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，時(shí)間不同，可采用不同形式的熱防護(hù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作小推力、長(zhǎng)時(shí)間的條件下，喉襯的工作環(huán)境較為惡劣。在工程研制階段，需要選擇一些價(jià)格合理，技術(shù)相對(duì)成熟的材料進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選。

鉬和鎢熔點(diǎn)較高，我們首選鉬、鎢及鎢銅合金做試驗(yàn)材料。由于用鉬和鎢用模壓燒結(jié)方法制造的喉襯密度低，耐燒蝕性能不如用擠壓和鍛造方法成形的喉襯，因此我們選用擠壓成形的棒料機(jī)加成形。碳的燒蝕率低，燒蝕均勻，且強(qiáng)度隨溫度升高而升高。材料廠家通過(guò)注塑直接成型，不需要二次加工。

綜上所述，我們從目前常用的喉襯材料中初步選用了鉬棒、碳纖維、鎢銅合金、沉積鎢四種材料的喉襯進(jìn)行參數(shù)分析，見(jiàn)表1。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)對(duì)比試驗(yàn)

為觀察四種材料在小推力、長(zhǎng)時(shí)間條件下的燒蝕情況，我們做靜態(tài)對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行比較分析。

（一）靜態(tài)對(duì)比試驗(yàn)

1.試驗(yàn)器材

準(zhǔn)備火箭發(fā)動(dòng)機(jī)4組，每組三個(gè)，共12個(gè)。其中喉襯結(jié)構(gòu)相同，材料不同。其它零部件完全相同。喉襯材料分別為鉬棒、碳-碳纖維、鎢銅合金、沉積鎢四種。

2.試驗(yàn)方案

將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固定在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上，點(diǎn)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。測(cè)繪發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的F-T曲線；發(fā)動(dòng)機(jī)工作完成后，觀察喉襯的燒蝕情況。

3.試驗(yàn)結(jié)果

（1）試驗(yàn)后觀察鉬喉襯的燒蝕情況，未見(jiàn)有嚴(yán)重?zé)g的溝痕。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)高溫燃?xì)庠斐蓢姽茏鶉?yán)重?zé)g，見(jiàn)圖1鉬喉襯工作后照片。

（2）試驗(yàn)后觀察碳-碳纖維喉襯的燒蝕情況，未見(jiàn)有嚴(yán)重?zé)g的溝痕，但測(cè)量喉襯喉徑部直徑約為φ15mm左右（原圖定φ9.6mm），明顯擴(kuò)大，根據(jù)觀測(cè)到的情況，試驗(yàn)兩發(fā)后終止對(duì)比試驗(yàn)。見(jiàn)圖2碳-碳纖維喉襯工作后照片。

（3）鎢銅合金喉襯發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，喉襯均無(wú)明顯燒蝕痕跡。見(jiàn)圖3鎢銅合金喉襯工作F-T曲線圖。

（4）第1發(fā)沉積鎢喉襯試驗(yàn)后，觀察該喉襯的燒蝕情況，喉襯部分被燒化，不完整，根據(jù)觀測(cè)到的情況，終止其余兩發(fā)的試驗(yàn)。見(jiàn)圖4沉積鎢喉襯工作后照片。

（二）試驗(yàn)分析

由于鉬棒機(jī)加性不好，常在螺紋處容易產(chǎn)生崩紉。更容易導(dǎo)致喉襯和噴管座在螺紋處產(chǎn)生間隙。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高溫燃?xì)鈴拈g隙處溢出造成噴管座嚴(yán)重?zé)g。

碳-碳纖維喉襯未見(jiàn)有嚴(yán)重?zé)g的溝痕。但喉襯喉徑部直徑明顯擴(kuò)大，會(huì)使火箭彈密集度、內(nèi)彈道性能變壞，該材料不能滿足產(chǎn)品性能要求。

鎢銅合金喉襯在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)三發(fā)均無(wú)明顯燒蝕痕跡；并且它與鉬喉襯的F-T曲線基本一致，該材料能滿足產(chǎn)品性能要求，可進(jìn)一步進(jìn)行其它環(huán)境試驗(yàn)。

沉積鎢喉襯的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，喉襯無(wú)法滿足使用要求，該材料不能滿足產(chǎn)品性能要求。

三、結(jié)論

通過(guò)對(duì)鉬棒、碳纖維、鎢銅合金、沉積鎢四種喉襯材料進(jìn)行靜態(tài)對(duì)比試驗(yàn)，可以知道碳纖維和沉積鎢不適于做小推力、長(zhǎng)時(shí)間火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯材料。鉬棒和鎢銅合金燒蝕性滿足使用要求，同時(shí)這兩種材料（F-T曲線）基本一致?？梢岳^續(xù)進(jìn)行其它環(huán)境試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。