某火箭發(fā)動機(jī)噴管擴(kuò)散段燒蝕材料選材

李大勇，高延杰，羅長宏，張克石，魏化震，孔國強(qiáng)

(1.山東非金屬材料研究所，濟(jì)南 250031； 2.國營洛陽丹城無線電廠，河南洛陽 471000)

擴(kuò)散段是火箭發(fā)動機(jī)噴管的重要組成部分，一般通過螺紋與收斂段連接，其作用是在發(fā)動機(jī)火藥燃燒時，在化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏幽艿倪^程中形成燃?xì)馔ǖ?，提供良好的熱防護(hù)，保證發(fā)動機(jī)正常工作[1]。碳纖維及高硅氧玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂基復(fù)合材料是目前固體火箭發(fā)動機(jī)噴管防燒蝕內(nèi)襯最廣泛使用的兩類復(fù)合材料，特別是以短切碳纖維增強(qiáng)、模壓工藝制備的噴管防燒蝕內(nèi)襯構(gòu)件，由于其材料及工藝成本低，適用于大批量生產(chǎn)，已在各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)噴管中廣泛應(yīng)用[2-4]。

針對總體單位提出的某戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈火箭發(fā)動機(jī)噴管擴(kuò)散段研制工作要求，進(jìn)行了擴(kuò)散段燒蝕層選材及制備研究工作。噴管擴(kuò)散段由金屬環(huán)體、燒蝕層和喉襯構(gòu)成,擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。其中，金屬環(huán)體由不銹鋼制備，與燒蝕層一體模壓成型，喉襯由碳/碳復(fù)合材料制備。

圖1 擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)示意圖

一般情況下，發(fā)動機(jī)工作時具有較高的溫度和壓強(qiáng)，噴管收斂段和擴(kuò)散段燒蝕層材料設(shè)計選用時主要考慮材料的力學(xué)性能和耐燒蝕性能。筆者選材時除研究材料的力學(xué)性能和耐燒蝕性能之外，進(jìn)一步研究了耐沖刷性能對擴(kuò)散段的影響，通過在該火箭發(fā)動機(jī)特定熱環(huán)境下的燒蝕試驗分析及對比，確定了擴(kuò)散段燒蝕層材料并進(jìn)行了機(jī)理分析，為該類火箭發(fā)動機(jī)特定熱環(huán)境燒蝕材料選用提供了理論及應(yīng)用依據(jù)。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要原材料

不銹鋼:市售；

碳/碳復(fù)合材料:西安超碼科技有限公司；

酚醛樹脂/短切碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料:WC FC-101-1，山東非金屬材料研究所；

酚醛樹脂/短切高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料預(yù)浸料:WS FC-102-1，纖維長度為30~50 mm，山東非金屬材料研究所；

酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料預(yù)浸料:WS FC-102，纖維長度為850~950 mm，山東非金屬材料研究所。

1.2 儀器及設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱:FXB101-3 型，上海樹立儀器儀表有限公司；

電子天平:JZC-6HAC型，福州科迪電子技術(shù)有限公司；

塑料液壓機(jī):45T，YTD71-45A 型，天津市智杰科技有限公司；

電子萬能試驗機(jī):59665969 型，英國英斯特朗公司；

水壓試驗機(jī):SUP-XT-160 型，濟(jì)南思明特科技有限公司；

燒蝕試驗機(jī):YS-iv 型，中國航天科技集團(tuán)44所；

塑料液壓機(jī):YT71-160 型，天津市智杰科技有限公司。

1.3 試樣制備

分別以WC FC-101-1 預(yù)浸料、WS FC-102-1 預(yù)浸料、WS FC-102 預(yù)浸料作為燒蝕層材料制備擴(kuò)散段樣件。

用電子天平稱取預(yù)浸料，放入鼓風(fēng)烘箱中，每間隔5~10 min翻動預(yù)浸料一次，使其均勻受熱。調(diào)整烘料時間和溫度，預(yù)烘后的預(yù)浸料應(yīng)不粘手、不扎手，并保證壓制時沒有明顯膠液流出。烘料的同時打開液壓機(jī)預(yù)熱，待溫度達(dá)到120~160 ℃時將預(yù)浸料放入模具，合模后加壓，成型溫度(160±10)℃，成型壓力(45±10） MPa，保壓時間30 min。壓制到規(guī)定時間后，打開液壓機(jī)取出產(chǎn)品。

1.4 性能測試

拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1447-2005測試，測試速率為5 mm/min；

彎曲強(qiáng)度按照GB/T 1449-2005測試，測試速率為10 mm/min；

壓縮強(qiáng)度按照GB/T 1448-2005測試，測試速率為10 mm/min；

線燒蝕率按照GJB 323 A-1996測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料及擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能分析

按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)測試酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料和酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和線燒蝕率，對比分析不同復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐燒蝕性能。測試結(jié)果列于表1。由表1 可見，酚醛樹脂/短切碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度最大，線燒蝕率最小；酚醛樹脂/短切高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料和酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料的線燒蝕率基本一致，酚醛樹脂/短切高硅氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度均最小。

表1 不同纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料性能

經(jīng)分析，由于碳纖維的本體強(qiáng)度和熱解溫度遠(yuǎn)高于高硅氧玻璃纖維，因此在樹脂基體相同的情況下，碳纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐燒蝕性能更優(yōu)異。酚醛樹脂/短切高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料和酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料選用的高硅氧玻璃纖維僅長度不同，因此兩種復(fù)合材料的耐燒蝕性能基本一致。酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維為亂絲長纖維，在基體樹脂固化成型后可形成連續(xù)相，因此酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能。

對發(fā)動機(jī)工作時擴(kuò)散段各部位應(yīng)力進(jìn)行仿真計算，擴(kuò)散段內(nèi)壓仿真部位示意圖如圖2所示，計算結(jié)果見表2。在擴(kuò)散段喉襯部位內(nèi)壓（8.526 MPa）及環(huán)向拉應(yīng)力（34.51 MPa）最大。燃?xì)饬魍ㄟ^喉襯后，擴(kuò)散段內(nèi)壓急劇下降，擴(kuò)散段出口處壓力為0.135 MPa，接近大氣壓。根據(jù)對兩種材料力學(xué)性能的分析，酚醛樹脂/短切碳纖維和酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均可滿足發(fā)動機(jī)工況要求。

表2 擴(kuò)散段內(nèi)壓及環(huán)向拉應(yīng)力仿真數(shù)據(jù)

圖2 擴(kuò)散段內(nèi)壓仿真部位示意圖

根據(jù)仿真計算結(jié)果，在沒有金屬環(huán)體支撐范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)工作時擴(kuò)散段內(nèi)壓最大為2.195 MPa。為了進(jìn)一步驗證不同材料擴(kuò)散段樣件抗壓強(qiáng)度是否能滿足發(fā)動機(jī)使用要求，分別以不同材料體系制備擴(kuò)散段樣件，進(jìn)行水壓爆破試驗，分析不同材料制備的擴(kuò)散段承壓能力，結(jié)果見表3。

表3 燒蝕層的擴(kuò)散段材料擴(kuò)散段水壓爆破試驗結(jié)果

由表3結(jié)果表明，酚醛樹脂/短切碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段爆破壓強(qiáng)為4.1 MPa，大于發(fā)動機(jī)工作時擴(kuò)散段最大內(nèi)壓，未產(chǎn)生貫穿裂紋，為局部開裂，酚醛樹脂/短切碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段水壓爆破視圖如圖3所示。爆破壓強(qiáng)大于發(fā)動機(jī)工作時最大內(nèi)壓（2.195 MPa），可以滿足發(fā)動機(jī)使用要求。

圖3 酚醛樹脂/短切碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段水壓爆破視圖

酚醛樹脂/短切高硅氧玻璃纖維制備的擴(kuò)散段爆破壓強(qiáng)為2.0 MPa，酚醛樹脂/短切高硅氧玻璃纖維制備的擴(kuò)散段水壓爆破視圖如圖4 所示，爆破狀態(tài)為貫穿開裂，爆破壓強(qiáng)低于發(fā)動機(jī)工作時擴(kuò)散段最大內(nèi)壓，無法滿足發(fā)動機(jī)使用要求。

圖4 酚醛樹脂/短切高硅氧玻璃纖維制備的擴(kuò)散段水壓爆破視圖

酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段爆破壓強(qiáng)為5.3 MPa，酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的爆破視圖如圖5 所示。爆破狀態(tài)為貫穿開裂，爆破壓強(qiáng)大于發(fā)動機(jī)工作時擴(kuò)散段最大內(nèi)壓，且大于酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段的爆破壓強(qiáng)，可以滿足發(fā)動機(jī)使用要求。

圖5 酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備擴(kuò)散段水壓爆破視圖

綜合材料的力學(xué)性能、耐燒蝕性能以及擴(kuò)散段樣件的承壓性能，以酚醛樹脂/短切碳纖維(WS FC-101-1）材料和酚醛樹脂/長絲高硅氧(WS FC-102)材料作為燒蝕層材料制備的擴(kuò)散段可滿足發(fā)動機(jī)使用要求。

2.2 發(fā)動機(jī)地面靜試分析

根據(jù)材料試驗結(jié)論，采用酚醛樹脂/短切碳纖維材料和酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備噴管擴(kuò)散段進(jìn)行火箭發(fā)動機(jī)地面靜試，驗證選材滿足設(shè)計指標(biāo)的情況。

發(fā)動機(jī)功能設(shè)計需滿足表4 的技術(shù)指標(biāo)要求，研究中通過對擴(kuò)散段樣件進(jìn)行高溫（+50 ℃）、低溫（-50 ℃）、常溫（+23 ℃）3種發(fā)射環(huán)境下的發(fā)動機(jī)地面靜試，表征擴(kuò)散段燒蝕層燒蝕情況及對發(fā)動機(jī)性能的影響。

表4 火箭發(fā)動機(jī)工作技術(shù)指標(biāo)要求

酚醛樹脂/短切碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段樣件在進(jìn)行發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗后，其金屬環(huán)體及喉襯完好，擴(kuò)散段密封槽根部局部存在明顯穿孔，擴(kuò)散段尾部內(nèi)表面有明顯縱向凹槽，燒蝕量較大，擴(kuò)散段尾部外表面有過熱現(xiàn)象。酚醛樹脂/短切碳纖維擴(kuò)散段燒蝕形貌如圖6所示。高溫、常溫、低溫點(diǎn)火試驗后，擴(kuò)散段燒蝕現(xiàn)象基本一致。發(fā)動機(jī)地面靜試燒蝕及推力數(shù)據(jù)列于表5。由表5可見，推力總沖量、最大推力、最小推力均滿足要求，但擴(kuò)散段燒蝕層平均線燒蝕量特別是出口端燒蝕量大于設(shè)計指標(biāo)要求。綜上所述，酚醛樹脂/短切碳纖維擴(kuò)散段無法滿足發(fā)動機(jī)使用要求。

表5 酚醛樹脂/短切碳纖維擴(kuò)散段發(fā)動機(jī)試驗數(shù)據(jù)

圖6 酚醛樹脂/短切碳纖維復(fù)合材料制備擴(kuò)散段燒蝕形貌

酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段樣件在進(jìn)行發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗后，其金屬環(huán)體及喉襯完好，未發(fā)現(xiàn)燒蝕異常及局部燒蝕量過大等現(xiàn)象，酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段燒蝕形貌如圖7 所示。發(fā)動機(jī)工作正常，高溫、常溫、低溫點(diǎn)火試驗后，不同溫度發(fā)動機(jī)試驗現(xiàn)象基本一致。發(fā)動機(jī)試驗結(jié)果見表6。由表6 表明，推力總沖量、最大推力、最小推力以及擴(kuò)散段燒蝕層平均線燒蝕量均滿足要求。綜上所述，酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段可以滿足發(fā)動機(jī)使用要求。

表6 酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料擴(kuò)散段發(fā)動機(jī)試驗

圖7 酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段燒蝕形貌

3 機(jī)理分析

根據(jù)對該火箭發(fā)動機(jī)工況分析結(jié)果可知，發(fā)動機(jī)工作時推力總沖量較大，燃?xì)饬魍ㄟ^喉襯后，溫度逐漸降低，壓強(qiáng)逐漸減小，但氣流速度逐漸增大。燃?xì)饬鞯竭_(dá)擴(kuò)散段尾部時氣流速度達(dá)到最大值。

對火箭發(fā)動機(jī)試驗后的擴(kuò)散段樣件進(jìn)行解剖，分析擴(kuò)散段不同部位的燒蝕情況見表7。結(jié)果表明，兩種材料在擴(kuò)散段前后部分呈現(xiàn)出相反的燒蝕規(guī)律。在擴(kuò)散段前半部分，酚醛材料/短切碳纖維材料的燒蝕量更?。辉跀U(kuò)散段尾部，特別是出口部分，酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料的燒蝕量更小，圖8為酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段與酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段燒蝕形貌。兩種材料制備的擴(kuò)散段靠近喉襯處局部存在輕微剝蝕，這是燃?xì)饬鬟^喉襯后速度增大、溫度較高造成的。

表7 擴(kuò)散段燒蝕量 mm

圖8 酚醛樹脂/長絲高硅氧玻璃纖維擴(kuò)散段與酚醛樹脂/碳纖維擴(kuò)散段燒蝕形貌

對擴(kuò)散段各部位燒蝕環(huán)境進(jìn)行分析如下。

燃?xì)饬魍ㄟ^喉襯后，在擴(kuò)散段前半部分小口部位溫度約為(2 500~3 000)℃，氣流速度約1~2 馬赫，主要為燒蝕環(huán)境，燃?xì)饬骷肮腆w離子對擴(kuò)散段沖刷作用不明顯，在該熱環(huán)境下，酚醛樹脂/碳纖維制備的擴(kuò)散段耐燒蝕性能優(yōu)于酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料，據(jù)表7 數(shù)據(jù)也可看出，酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段前半部分的燒蝕量更小。

在擴(kuò)散段尾部大口端，燃?xì)饬魉俣仍龃笾? 馬赫，溫度降至2 000 ℃以下，對擴(kuò)散段作用主要體現(xiàn)為高速氣流及粒子的強(qiáng)沖刷作用。且該發(fā)動機(jī)裝藥中Al粉含量較高，燃?xì)饬鲗U(kuò)散段的主要作用表現(xiàn)為A12O3粒子侵蝕和氣流剝蝕[5-6]。同時，燃?xì)饬鞯竭_(dá)擴(kuò)散段出口處時，溫度相對較低，在地面靜試時對擴(kuò)散段出口處溫度測量（見圖9）溫度范圍為1 512~1 900 ℃，與高硅氧玻璃纖維熔點(diǎn)接近（約1 700 ℃）。

圖9 擴(kuò)散段出口處測溫結(jié)果

圖10 為酚醛樹脂/碳纖維和酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段的表面燒蝕形貌。酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料屬于熔融-氣化型燒蝕材料[5-6]，其燒蝕后形貌如圖10b所示，表面附著了一層熔融后凝結(jié)而成的氧化硅保護(hù)層。分析認(rèn)為，當(dāng)燒蝕環(huán)境溫度超過1 400 ℃時，材料表面的酚醛樹脂基體已經(jīng)分解、碳化，隨著表面溫度的持續(xù)升高，高硅氧玻璃纖維熔融形成高黏度的液體SiO2依附在碳化層的表面而形成臨時的保護(hù)層，減緩了熱沖擊向材料內(nèi)部的燒蝕進(jìn)度[7-10]。發(fā)動機(jī)試驗后，附著在擴(kuò)散段燒蝕層表面的銀灰色物質(zhì)即為高硅氧玻璃纖維熔融冷卻后形成的，此時燒蝕表面由熔融SiO2薄層和突起的碳化層組成。

圖10 酚醛樹脂/碳纖維和酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段表面燒蝕照片

高硅氧玻璃纖維熔化形成的液態(tài)層具有較高的黏度，在發(fā)動機(jī)燃?xì)饬鳑_刷下仍可附著在擴(kuò)散段燒蝕層表面，對未燒蝕的材料實(shí)施保護(hù)，并且在熱環(huán)境作用下不斷形成新的液態(tài)保護(hù)層，同時熔融吸熱作用也起到了降溫減緩燒蝕的功能。隨著燒蝕進(jìn)行，燃?xì)饬骷羟辛Υ笥谝后wSiO2的粘附力時，熔融后的高硅氧玻璃纖維層被燃?xì)饬鞔党錈g界面逐步向材料內(nèi)部退移[11-14]。

液體SiO2層吹除后，使碳化層暴露在燃?xì)饬鳝h(huán)境中，在高速粒子和高速氣流沖刷下產(chǎn)生燒蝕退移[4]。當(dāng)碳化層退移到和表面液態(tài)層基本重合后，碳化層逐步被熔融SiO2層覆蓋，從而對粒子侵蝕和氣流剝蝕起到隔離減緩作用。表面液體SiO2層和碳化層在燃?xì)饬髯饔孟聫谋砻鎰冸x后，內(nèi)部的酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維又開始重復(fù)這一過程并產(chǎn)生新的燒蝕界面。隨著上述過程的反復(fù)進(jìn)行，燒蝕界面逐步向材料的內(nèi)部推進(jìn)[15-17]。

碳纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料屬于升華型燒蝕材料，碳纖維在高溫下不會熔化，在高溫環(huán)境下同時發(fā)生酚醛樹脂分解、碳化和碳纖維的氧化、升華。利用材料直接由固態(tài)變成氣態(tài)或僅經(jīng)過極短暫的液態(tài)階段的過程吸收大量熱而達(dá)到防熱目的。

燃?xì)饬鲃偼ㄟ^喉襯后主要為燒蝕環(huán)境，氣流剝蝕作用不明顯，因為酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料耐燒蝕性能優(yōu)于酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料，因此酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料制備的擴(kuò)散段在此部位燒蝕量更小。在擴(kuò)散段尾部，燃?xì)饬鳒囟鹊陀?000 ℃，在此溫度條件下，碳纖維一直保持固體狀態(tài)，在高速燃?xì)饬骷案咚倭Ｗ記_刷下固態(tài)纖維被切斷，隨碳化后樹脂基體被高速燃?xì)饬鞒蓤F(tuán)或成片沖走。酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料雖然具有良好的耐燒蝕性能，但在該部位工況條件下不產(chǎn)生熔融吸熱及對樹脂碳化層表面的保護(hù)作用，耐沖刷性能不足，表現(xiàn)為該部位燒蝕量較大，出現(xiàn)表面過熱、局部燒穿現(xiàn)象。

4 結(jié)論

碳纖維及高硅氧玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂基復(fù)合材料是目前固體火箭發(fā)動機(jī)噴管防燒蝕內(nèi)襯最廣泛使用的兩類復(fù)合材料，酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能及耐燒蝕性能均優(yōu)于酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料，大量發(fā)動機(jī)噴管燒蝕層材料選擇酚醛樹脂/碳纖維復(fù)合材料。但在溫度低于2 000 ℃、固體粒子含量較多且燃?xì)饬魉俣容^大的部位，酚醛樹脂/高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐燒蝕及抗沖刷性能。所以在選擇火箭發(fā)動機(jī)噴管燒蝕層材料時，需要根據(jù)具體熱環(huán)境條件進(jìn)行分析選材，也可分段設(shè)計，使其綜合性能達(dá)到最優(yōu)。