軸棒法編織C/C喉襯燒蝕性能縮比試驗(yàn)評價方法①

王周成，張 飛，陳 慧，史宏斌，陳 妮

(中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025)

軸棒法編織C/C喉襯燒蝕性能縮比試驗(yàn)評價方法①

王周成，張 飛，陳 慧，史宏斌，陳 妮

(中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025)

針對新型喉襯用軸棒法編織C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了一種采用圓形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)評價全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕性能的縮比試驗(yàn)方法。依據(jù)該方法進(jìn)行了多發(fā)縮比燒蝕發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，并結(jié)合全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了與發(fā)動機(jī)工況、結(jié)構(gòu)尺寸和推進(jìn)劑類型相關(guān)的軸棒法編織C/C喉襯燒蝕性能評價公式。利用其他批次喉襯在不同型號發(fā)動機(jī)的燒蝕數(shù)據(jù)，對評價公式進(jìn)行了校驗(yàn)和分析，預(yù)示結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較一致，表明建立的試驗(yàn)方法和評價公式能夠體現(xiàn)縮比燒蝕發(fā)動機(jī)與全尺寸發(fā)動機(jī)燒蝕性能的相關(guān)性。

軸棒法編織C/C復(fù)合材料;燒蝕性能;圓形喉襯;縮比燒蝕發(fā)動機(jī);全尺寸發(fā)動機(jī)

0 引言

C/C復(fù)合材料以其優(yōu)越的熱物理、機(jī)械及燒蝕性能，成為噴管喉襯的首選材料。其中，燒蝕性能是喉襯熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，是喉襯材料的重要指標(biāo)。在固體火箭發(fā)動機(jī)熱環(huán)境中，噴管喉襯的燒蝕是一個非常復(fù)雜的過程，包含了熱化學(xué)燒蝕、機(jī)械剝蝕和粒子侵蝕［1-5］。近年來，通過對喉襯微觀結(jié)構(gòu)、熱化學(xué)反應(yīng)的研究［6-8］，對喉襯的燒蝕機(jī)理有了更深入的認(rèn)識。C/C喉襯的燒蝕受多種因素的影響，包括燃?xì)馓匦院腿紵覊簭?qiáng)等熱環(huán)境因素，以及材料的本體特性［9］。因此，通過模擬燒蝕試驗(yàn)來評價材料的燒蝕性能對喉襯熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。C/C喉襯燒蝕性能試驗(yàn)方法主要包括離子加熱、電弧加熱［10］和燒蝕試驗(yàn)發(fā)動機(jī)［11］等。由于離子加熱和電弧加熱的燒蝕環(huán)境特定，不能真實(shí)地模擬固體火箭發(fā)動機(jī)Al2O3粒子引起的兩相流以及燃?xì)饨M分等因素對燒蝕的影響。為此，本文采用縮比燒蝕試驗(yàn)發(fā)動機(jī)評價喉襯的燒蝕性能。

目前，已有方形喉襯燒蝕試驗(yàn)發(fā)動機(jī)用于評價徑棒法編織C/C喉襯燒蝕性能［12］，而針對新型的軸棒法編織C/C喉襯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的燒蝕試驗(yàn)發(fā)動機(jī)評價方法還未興起。本文基于圓形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)，建立評價全尺寸軸棒法編織C/C喉襯燒蝕性能的試驗(yàn)方法和數(shù)值擬合公式。與方形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)相比，圓形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)具有以下優(yōu)勢:(1)縮比發(fā)動機(jī)與全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯形狀相同，都為圓形，能夠保證燃?xì)鉀_刷狀態(tài)更接近真實(shí)情況;(2)圓形喉襯的加工性好，不容易產(chǎn)生掉棒現(xiàn)象，且測試結(jié)果散差較小。

1 軸棒法編織C/C喉襯燒蝕試驗(yàn)方法

圓形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)采用某標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)燃燒室，推進(jìn)劑為HTPB，結(jié)構(gòu)如圖1所示。縮比燒蝕發(fā)動機(jī)由燃燒室、后蓋殼體、后蓋絕熱層、噴管殼體、圓形喉襯和擴(kuò)張段絕熱層組成。圖2為軸棒法C/C喉襯編織結(jié)構(gòu)示意圖，垂直于

圖1 圓形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Subscale ablation motor with circle throat insert

碳棒(噴管軸線)的平面上是三向互成120°的纖維。

可見，只要保證圓形喉襯軸線的方向，無論在何處取

樣，其結(jié)構(gòu)是一致的，若材料的均勻性好，則燒蝕性能

也是一致的。因此，縮比燒蝕發(fā)動機(jī)圓形喉襯從產(chǎn)品

取樣時，必須保證其軸線方向與喉襯材料碳棒方向一致。

2 軸棒法編織C/C喉襯燒蝕試驗(yàn)與分析

進(jìn)行了8發(fā)縮比燒蝕發(fā)動機(jī)圓形喉襯燒蝕試驗(yàn)。圖3為縮比燒蝕發(fā)動機(jī)的壓強(qiáng)-時間曲線，縮比燒蝕發(fā)動機(jī)工作時間約21s，平均工作壓強(qiáng)約6.3 MPa，最高工作壓強(qiáng)約7.3 MPa。8次試驗(yàn)的工作時間、平均工作壓強(qiáng)和最大工作壓強(qiáng)一致性較好，發(fā)動機(jī)個體差異對燒蝕試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。圖4為縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕形貌，圖5為喉襯的燒蝕型面?？梢姡瑘A形喉襯燒蝕均勻，內(nèi)表面較光滑。

圖2 軸棒法C/C喉襯編織結(jié)構(gòu)Fig.2 Braided structure of C/C composites throat insert woven with axial carbon rods

圖3 縮比燒蝕發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)-時間曲線Fig.3 Pressure vs time curve of subscale ablation motor

圖4 縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕形貌圖Fig.4 Ablation image of subscale motor throat insert

圖5 縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕型面Fig.5 Ablation contour of subscale motor throat insert

由于縮比燒蝕發(fā)動機(jī)圓形喉襯的燒蝕型面均勻，內(nèi)表面較為光滑，故采用燒蝕厚度作為喉襯的燒蝕性能參數(shù)?？s比發(fā)動機(jī)燒蝕試驗(yàn)結(jié)果和全尺寸發(fā)動機(jī)試車結(jié)果見表1，并將表中的燒蝕數(shù)據(jù)繪圖，如圖6所示，可見，縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕厚度、全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯的燒蝕厚度趨勢是一致的，說明采用圓形喉襯的縮 比燒蝕試驗(yàn)可反映全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯的燒蝕性能。

表1 縮比燒蝕發(fā)動機(jī)與全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Ablation results obtained from subscale motor and full-scale motor throat insert

圖6 縮比與全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕厚度對比圖Fig.6 Ablative thickness of subscale motor and full-scale motor throat insert

3 軸棒法編織C/C喉襯燒蝕性能評價公式

由于選取燒蝕厚度來評價喉襯燒蝕性能，同時考慮到發(fā)動機(jī)工況與尺寸差異對喉襯燒蝕的影響，建立的喉襯燒蝕性能評價公式如式(1)所示，把巴茲公式［13］中燒蝕率與壓強(qiáng)、喉徑之間的關(guān)系變換為燒蝕厚度與壓強(qiáng)、喉徑、時間之間的關(guān)系，且著重考慮了時間的獨(dú)立性及其對燒蝕厚度的影響;并引入基于縮比發(fā)動機(jī)燒蝕厚度的樣本方差修正項(xiàng)，以描述縮比發(fā)動機(jī)燒蝕厚度樣本方差對全尺寸發(fā)動機(jī)燒蝕厚度的影響;最后，引入燒蝕相關(guān)性系數(shù)k和修正系數(shù)ε。

式中 k為全尺寸發(fā)動機(jī)和縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕相關(guān)性系數(shù);b1、b2分別為全尺寸發(fā)動機(jī)和縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕厚度;b-2為縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕厚度均值;t1、t2分別為全尺寸發(fā)動機(jī)和縮比燒蝕發(fā)動機(jī)工作時間;p1、p2分別為全尺寸發(fā)動機(jī)和縮比燒蝕發(fā)動機(jī)的平均工作壓強(qiáng);d1、d2分別為全尺寸發(fā)動機(jī)和縮比燒蝕發(fā)動機(jī)的噴管喉徑;ε為修正系數(shù)。

通過最小二乘法確定系數(shù)k和ε，令

式中 n為燒蝕子樣數(shù)。

確定系數(shù)k和ε的問題就歸結(jié)為求函數(shù)f(k，ε)在何處取得最小值，即

1#全尺寸發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑為HTPB，與縮比燒蝕發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑相同，將1#全尺寸發(fā)動機(jī)和縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3)和式(4)，求得系數(shù)k=1.216、ε=2.611。2#全尺寸發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑為高能推進(jìn)劑，與縮比燒蝕發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑不同，將2#全尺寸發(fā)動機(jī)和縮比燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3)和式(4)，求得系數(shù) k=1.246、ε=15.130。最后，獲得與發(fā)動機(jī)工況、喉徑和推進(jìn)劑類型相關(guān)的喉襯燒蝕性能評價公式:

采用喉襯燒蝕性能評價公式預(yù)示了其他8個批次喉襯在4個型號的全尺寸發(fā)動機(jī)的燒蝕性能，具體數(shù)據(jù)見表2。其中，09～12號喉襯對應(yīng)全尺寸發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑為HTPB，13～16號喉襯對應(yīng)全尺寸發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑為高能推進(jìn)劑。通過與對應(yīng)喉襯在全尺寸發(fā)動機(jī)試車燒蝕數(shù)據(jù)對比可知，除了09號和14號喉襯燒蝕的預(yù)示誤差稍大外，其余喉襯燒蝕預(yù)示誤差均在10%以內(nèi)。

分析認(rèn)為，由于軸棒法編織C/C喉襯為復(fù)合材料，其均勻性是相對的。因此，在條件允許的情況下，同一喉襯在不同部位取樣進(jìn)行多次縮比發(fā)動機(jī)燒蝕試驗(yàn)?zāi)芨_地評估該喉襯的燒蝕性能;由于縮比發(fā)動機(jī)燒蝕子樣數(shù)較少，喉襯燒蝕性能評價公式有待完善，隨著燒蝕子樣數(shù)增加，系數(shù)k和ε準(zhǔn)確性會逐步提高，預(yù)示誤差將減小。

表2 全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯預(yù)示燒蝕性能和誤差Table 2 Predicted ablative properties and error of full-scale motor throat insert

4 結(jié)論

(1)建立了采用圓形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)評價軸棒法編織C/C喉襯燒蝕性能的試驗(yàn)方法。

(2)進(jìn)行了多發(fā)圓形喉襯縮比燒蝕發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，在縮比燒蝕發(fā)動機(jī)和全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出了與發(fā)動機(jī)工況、結(jié)構(gòu)尺寸和推進(jìn)劑類型相關(guān)的軸棒法編織C/C喉襯燒蝕性能評價公式;采用評價公式預(yù)示了其他批次喉襯在不同型號發(fā)動機(jī)的燒蝕性能，預(yù)示誤差不大于15%。

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(編輯:呂耀輝)

Subscale test method for ablative properties of throat insert using C/C composites woven with axial carbon rods

WANG Zhou-cheng，ZHANG Fei，CHEN Hui，SHI Hong-bin，CHEN Ni
(The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC，Xi′an 710025，China)

Based on the braided structure of new throat insert material C/C composite material with axial carbon rods，the subscale test method on evaluating full-scale motor throat insert ablative properties using a subscale motor with circle throat insert was developed.Several subscale ablation motor tests were performed.The formula for evaluating ablative properties of throat insert using C/C composites with axial carbon rods which relate to motor work condition，structural dimension and propellant type were obtained by combining the ablation data of subscale motor and full-scale motor.The formula was verified by using ablation data of other batch throat insert in different type motors.Results show that the relativity of ablative properties between subscale motor and full-scale motor could be represented by the developed test method and the evaluating formula.

C/C composites with axial carbon rods;ablation properties;circle throat insert;subscale ablation motor;full-scale motor

V435

A

1006-2793(2014)04-0583-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.04.029

2013-09-23;

2013-11-08。

國家973項(xiàng)目(973-61391)。

王周成(1985—)，男，碩士，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動機(jī)噴管設(shè)計(jì)。E-mail:wangzc36@163.com