烧蚀台阶现象及对喷管性能的影响分析

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1、烧蚀台阶现象及对喷管性能的影响分析摘要：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。关键词：烧蚀台阶；台阶效应；局部流场；喷管内流场中图分类号：V435+.14文献标识码：A文章编号：1673-5048(20

2、15)03-0044-04AnalysisofAblationStepPhenomenonandItsInfluenceonthePerformanceofNozzleShangYongten£(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China)Abstract：Theinnersurfaceofnozzleconsistsofdifferentmaterialsandtheablationstepisinevitableontheinterfaceof

3、materials.Analysisofablationstepphenomenonanditscauseofformationandbadinfluenceareexplainedinthispaper.Theinfluenceofablationsteponlocalflowfieldissimulatedtoshowdifferentvortex.Calculationofnozzleflowfieldwithdifferentsteplocationanddepthismadetodispl

4、ayitseffectontheperformanceofnozzle・TheresuItsindicatethatthelargeablationstepbehindthethroathasmuchinfluenceonnozzleperformancesothatitmustbeavoidedinthedesignofnozzle.Keywords：ablationstep；stepeffect；localflowfield；nozzleflowfield0引言在固体火箭发动机喷管结构设计中，由

5、于喷管各部分功能各异，所处燃气环境不同，对烧蚀性、耐热性要求也不同；同时考虑加工、减承力等方面的要求，需要采用不同材料搭接组成喷管内型面，这样两种材料的结合处就形成了缝隙[1-2]o由于缝隙两侧材料的不同，喷管工作过程中不可避免地会出现烧蚀台阶，台阶的出现会破坏内流场，在一定程度上损失喷管性能，严重时会收稿日期：2014-12-01作者简介：尚永腾（1987-）,男,山东德州人，硕士研究生，研究方向为固体火箭发动机喷管设计。在台阶处形成涡流，从而进一步加剧对缝隙下游材料的冲刷烧蚀，使台阶再扩大，形成

6、台阶效应。台阶效应会造成喷管内型面严重的冲刷烧蚀，不仅造成推力损失，还可能造成烧穿事故而导致发动机工作失败。因此有必要对喷管烧蚀台阶现象进行分析，了解其形成原因及对局部流场和喷管性能的影响，为改进喷管设计、减小台阶影响提供理论基础。1烧蚀台阶的成因和不利影响喷管喉部的烧蚀通常最为严重，为保证喉道面积，常采用石墨、碳/碳等耐烧蚀材料或鹄渗铜、钮渗铜等难熔金属作为喉衬材料，为了增强隔热效果、减轻结构质量，喉衬上下游常采用高硅氧/酚醛、碳/酚醛等材料[3-7]o不同材料的烧蚀率有差异，表1所示为喷管常用烧

7、蚀材料的烧蚀性能。表1喷管常用烧蚀材料部件材料烧蚀性能喉衬石墨中碳/碳优石墨渗铜优磚渗铜不烧蚀扩张段收敛段高硅氧/酚醛差碳/酚醛中陶瓷基复合材料优材料烧蚀率不同会导致出现烧蚀台阶，从而对喷管性能产生不利影响[8-12]:(1)烧蚀台阶的出现直接导致内型面不连续，从而造成燃气流动损失；(1)内型面的凹坑增加了内表面粗糙度，破坏了壁面附近的平流边界层，造成边界层损失增大；（3）若两种材料烧蚀性能相差过大，在短时间内就会出现明显的台阶而引发台阶效应，从而造成内型面的严重烧蚀。图1所示为典型的台阶效应造成的

8、喷管烧蚀现象。图1典型的台阶效应造成的烧蚀现象图1中，喷管喉衬表面采用鹄渗铜材料，抗烧蚀性能很好，在工作过程中几乎不烧蚀，而扩散段烧蚀层采用高硅氧/酚醛材料，其线烧蚀率约为0.2mm/so在发动机工作过程中，铸渗铜与高硅氧/酚醛接触的缝隙两侧由于烧蚀率不同而形成台阶，台阶深度达到一定程度则出现涡流，涡流进一步加剧了对高硅氧/酚醛的烧蚀，由此逐渐形成图中所示的烧蚀凹坑。通常喷管设计中，缝隙两侧材料的烧蚀速率相差不超过3倍。2烧蚀台阶对局部流场的影响烧蚀台阶的直接影响是对