三元乙丙橡膠絕熱層的燒蝕特性研究

曹 軍，房 雷，2

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009;2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引 言

第四代空空導(dǎo)彈具有發(fā)射后不管和多目標(biāo)攻擊、飛行速度快、機(jī)動(dòng)過(guò)載能力強(qiáng)、射程遠(yuǎn)等特點(diǎn)［1］?？湛諏?dǎo)彈的大機(jī)動(dòng)能力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)體系提出了很高的要求，而絕熱層位于殼體內(nèi)表面與推進(jìn)劑之間的熱防護(hù)材料，主要作用是通過(guò)自身的不斷分解、燒蝕帶走大量熱量，減緩燃?xì)獾母邷叵驓んw的速度，避免殼體達(dá)到危及其結(jié)構(gòu)完整性的溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作［2］，它是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)防護(hù)的重要組成部分。因此，正確選擇絕熱層的種類(lèi)顯得非常重要。目前，空空導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多采用丁羥基絕熱層和三元乙丙橡膠(EPDM)絕熱層。其中，三元乙丙橡膠絕熱層材料因其密度低、熱分解溫度高、熱分解吸熱大、耐熱氧老化性能好、充填系數(shù)大，與多種推進(jìn)劑及殼體材料均有良好的相容性，是發(fā)動(dòng)機(jī)理想的絕熱材料［3］。丁羥基絕熱層因與廣泛運(yùn)用型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑(丁羥三組元推進(jìn)劑、丁羥四組元推進(jìn)劑)、丁羥基包覆層材料相似，具有良好的相容性和粘接性能而被青睞［4］。

本文在分析發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層燒蝕過(guò)程的基礎(chǔ)上，建立了三元乙丙橡膠的燒蝕模型，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬過(guò)載試驗(yàn)臺(tái)對(duì)采用不同類(lèi)型絕熱層的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行絕熱層燒蝕性能研究，驗(yàn)證了EPDM 的燒蝕機(jī)理及燒蝕性能。

1 EPDM 絕熱層的燒蝕過(guò)程及模型

1.1 燒蝕過(guò)程

三元乙丙橡膠屬于碳化材料類(lèi)，也稱(chēng)消極絕熱材料，它的熱防護(hù)原理主要是在吸收大量外界熱量的同時(shí)，材料內(nèi)部出現(xiàn)熱解化學(xué)反應(yīng)，使絕熱層發(fā)生碳化、剝蝕，從而帶走大量的熱量［5］。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，產(chǎn)生大量高溫高壓燃?xì)猓ㄟ^(guò)對(duì)流換熱等熱傳遞方式與絕熱層進(jìn)行熱交換，絕熱層在吸收熱量的過(guò)程中，內(nèi)部材料組份之間產(chǎn)生熱解化學(xué)反應(yīng)，材料內(nèi)部高聚物逐漸分解裂化，形成氣體逸出，形成熱解層，隨著絕熱層吸收的熱量不斷增加，材料組份開(kāi)始熱解失水，材料開(kāi)始碳化，形成碳化層。

1.2 燒蝕模型

采用圖1 所示的分層模型，即燒蝕層、碳化層、熱解層和原始材料層［6］。

圖1 絕熱層的燒蝕模型

最外層為燒蝕層，其厚度為材料的燒蝕后退距離;第二層為碳化層，此層主要由材料熱分解留下的碳骨架組成;第三層為熱解層，內(nèi)部材料組份之間產(chǎn)生熱解化學(xué)反應(yīng)，釋放熱解氣體。針對(duì)本文研究的三元乙丙橡膠絕熱層，參考文獻(xiàn)［5］熱重分析試驗(yàn)結(jié)果:該材料在溫度達(dá)到700 K 時(shí)，材料的原始重量已經(jīng)減少了97.5%，表明材料內(nèi)部發(fā)生了激烈的熱解反應(yīng);第四層為原始材料層。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

采用半裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)方案進(jìn)行過(guò)載試驗(yàn)研究，藥型為發(fā)動(dòng)機(jī)工作5 s 后的圓管藥型，藥柱內(nèi)徑為140 mm，長(zhǎng)1 400 mm，絕熱層為裸露狀態(tài)，厚8 mm;其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)的裝夾如圖3 所示，垂直紙面向外為轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，右邊的為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定后，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火直至工作結(jié)束，再停止轉(zhuǎn)臺(tái)。

圖2 過(guò)載試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)裝夾位置圖

為了能定量、定性分析三元乙丙橡膠的燒蝕性能，本文采取兩種途徑:一是在橫向過(guò)載不變的情況下，分析不同推進(jìn)劑鋁粉含量對(duì)三元乙丙橡膠的燒蝕影響;二是在推進(jìn)劑鋁粉含量及橫向過(guò)載一定的條件下，分析目前廣泛應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的兩種絕熱層三元乙丙和丁羥基絕熱層的燒蝕性能。

共進(jìn)行3 發(fā)半裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)組合方案如表1 所示。

表1 半裝藥過(guò)載試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)研究組合方案

三元乙丙橡膠絕熱層與丁羥基絕熱層的性能參數(shù)對(duì)比如表2 所示。

表2 兩種絕熱層性能參數(shù)對(duì)比

2.2 測(cè)量方案

發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后，將絕熱層表面碳化層去除干凈，不傷到絕熱層基體，用測(cè)試儀對(duì)絕熱層剩余厚度進(jìn)行測(cè)量。

EPDM 絕熱層殘余厚度周向、軸向測(cè)量方案如圖4 ～5 所示。

圖4 周向測(cè)量方案

圖5 軸向測(cè)量方案

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

過(guò)載試驗(yàn)后，三個(gè)狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)現(xiàn)重大缺陷，外觀良好，未發(fā)生燒穿現(xiàn)象。從圖6 可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)出現(xiàn)明顯的粒子流局部沉積和偏聚，在尾部形成局部嚴(yán)重?zé)g區(qū)。

圖6 過(guò)載試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕情況

將絕熱層表面碳化層去除干凈，不傷到絕熱層基體，用測(cè)試儀對(duì)絕熱層剩余厚度進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間計(jì)算過(guò)載條件下絕熱層平均燒蝕率曲線，如圖7 ～9 所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)的絕熱層最大平均燒蝕率分別為1.02 mm/s，1.09 mm/s，0.8 mm/s。

圖7 Ⅰ狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)絕熱層平均燒蝕率

圖8 Ⅱ狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)絕熱層平均燒蝕率

圖9 Ⅲ狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)絕熱層平均燒蝕率

2.4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用半裝藥形式，發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層直接暴露在燃?xì)饬髦?，EPDM 絕熱層燒蝕主要原因是:復(fù)合推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的金屬粒子在橫向加速度的作用下偏轉(zhuǎn)、凝聚，金屬粒子通過(guò)熱傳導(dǎo)方式與絕熱層進(jìn)行熱交換，絕熱層隨著自身溫度的升高出現(xiàn)熱分解、燒蝕，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈱?duì)絕熱層表面進(jìn)行劇烈沖刷，導(dǎo)致碳化層的絕熱層剝落，這樣新的金屬粒子重新附著在絕熱層表面，進(jìn)行熱傳遞。

從圖7 ～8 可看出，Ⅰ、Ⅱ狀態(tài)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層最大燒蝕率分別為1.02 mm/s，1.09 mm/s。這說(shuō)明在相同鋁粉含量推進(jìn)劑、相同過(guò)載條件下，三元乙丙絕熱層材料更具抗燒蝕、抗沖刷能力，其抗燒蝕性能優(yōu)于丁羥基絕熱層，驗(yàn)證了表2 中三元乙丙橡膠的氧乙炔燒蝕率小于丁羥基絕熱層。

從圖7、圖9 可看出，Ⅰ、Ⅲ狀態(tài)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層最大燒蝕率分別為1.02 mm/s，0.8 mm/s。這說(shuō)明在相同橫向過(guò)載及絕熱材料的情況下，絕熱層的燒蝕率取決于推進(jìn)劑鋁粉含量的大小。推進(jìn)劑的鋁粉含量越高，燃?xì)庵薪饘倭Ｗ釉蕉?，金屬粒子在?cè)壁絕熱層上附著的越密集，燃?xì)鈱?duì)絕熱層的沖刷更嚴(yán)重，絕熱層的燒蝕率越大。

圖10 為去掉碳化層后基體層的電鏡掃描全景圖，從圖中可看出，試樣的厚度為2.8 mm 左右。該絕熱層試樣燒蝕的厚度應(yīng)為碳化層與絕熱層基體的厚度之和，為4.3 mm。這說(shuō)明絕熱層試樣在吸收外界熱量的同時(shí)，材料內(nèi)部出現(xiàn)熱解化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料發(fā)生膨脹，厚度加大(原始厚度為3 mm)，而且從圖10 中可以清晰辨別出碳化層、熱解層、原始基體層三層結(jié)構(gòu)。其中最上面是碳化層，為疏松結(jié)構(gòu)狀;最下面是材料基體層，為致密結(jié)構(gòu)狀;剩余中間層為熱解層。這與圖1 絕熱層的燒蝕模型一致。

圖10 試件部分電鏡掃描圖

3 結(jié) 論

(1)對(duì)比于丁羥基絕熱層，在相同鋁粉含量推進(jìn)劑、相同過(guò)載條件下，三元乙丙絕熱層材料更具抗燒蝕、抗沖刷能力;

(2)在相同橫向過(guò)載及絕熱材料的情況下，絕熱層的燒蝕率取決于推進(jìn)劑鋁粉含量的大小。推進(jìn)劑的鋁粉含量越高，燃?xì)鈱?duì)絕熱層的沖刷更嚴(yán)重，絕熱層的燒蝕率越大;

(3)簡(jiǎn)要描述了粒子流對(duì)三元乙丙橡膠絕熱層燒蝕機(jī)理，并對(duì)燒蝕后絕熱層試片進(jìn)行電鏡掃描分析，驗(yàn)證了所提出的燒蝕模型的合理性。

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