C∕SiC复合材料推力室应用研究

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1、第37卷第2期火箭推进V01．37．№．22011年4月JouRNALoFRocKETPRoPLyLsIoNApr．20llC／SiC复合材料推力室应用研究刘志泉，马武军(上海空间推进研究所，上海200233)摘要：C／SiC复合材料密度低、耐高温、抗氧化、抗烧蚀，并且具有非常好的高温力学性能，是制备高性能液体火箭发动机推力室的理想材料。本文从c／sic复合材料燃烧室结构计算、无损探伤及C／SiC与金属连接等方面，论述了上海空间研究所在C／SiC复合材料应用于液体火箭发动机推力室方面的基础研究及应用进展。关键

2、词：C／SiC复合材料推力室；液体火箭发动机；焊接连接中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(20l1)02—0019—06AppliedresearchofrocketenginethmstersmadeofceramicmatrixcompositeLIUzhi—quan，MAWu-jun(ShanghaiInstituteofSpacePropulsion，Shanghai200233，China)Ab鼬阻ct：Carbonfiberreinforcedsiliconcar

3、bide(C／SiC)compositehaslowdensi够，highoxida—tionanderosionresistance，aswellashighmechanicalperfomanceathightemperatllre．Therefore，itisthemostperf．ectmaterialtofabricatethmstchamberwhichisusedinliquidpropellantrocketen—gine．Thedevelopmentandapplicationofrocke

4、tenginethmstersmadeoftheceramicmatriXcompos—iteinShanghaiInstituteofSpacePropulsion(SISP)aredescribedintheaspectsofnondestmctiVein。spection，strucruralcomputation，andweldingjointofC／SiCceramicmatrixcompositesandmetalmaterials．：carbonfiberreinforcedsiliconcar

5、bide(C／SiC)compositethruster；liquid—propellantrocketengine；weldingjoint0引言液体火箭发动机1：作时，燃气温度高，冲刷性强一且具有很强的氧化性，对推力室喷管的制收稿日期：作者简介：2010一10一15；修回日期：2010—12一15备材料提出了严格要求。C／SiC陶瓷基复合材料具有低密度(1．8～2．0咖m3)、高比强、耐高温、抗氧化、耐烧蚀等特点，用其制备液体火箭发动机推力室，可以减轻发动机结构重量，提高发动机T作温度，简化发动机结构设计

6、，大幅度提高刘志泉(1978一)，男，1：程师，研究领域为高室压、快响应复合材料液体轨控发动机火箭推进2011年4月发动机的整体性能。美国、俄罗斯，法国，德国、日本等国已经开展了复合材料推力室的制备及应用研究”l。在国内，近年来采用先驱体浸渍裂解工艺(HP)制备的c巧·c复台材料取得了突破性进展。本文结合液体火箭发动机的『作特点．从结构计算、损伤研究、无损检测、烧蚀特性及与金属材料焊接等方面，详细阐述r将c，sic复合材料应用于液体火箭发动机推力室研制中，所做的基础性研究及应用成果。1燃烧室结构设计在研制初期

7、，推力室壁厚选取主要依靠经验，为确保发动机正常1．作．往往选取较大的壁厚值，这样既无法充分发挥复合材料在减轻重量上面的优势．又无{去在设计中确定方案的a『靠性。因此．sIsP开展了复合材料燃烧室结构分析及燃烧室壁厚计算研究。液体火箭发动机燃烧室为圆筒状，根据设计图纸．外径与内径之比在1l—l2之间．为薄壁圆筒结构，因此可咀按照薄膜应力理论对燃烧室进行应力分析。根据薄膜应力理论阳．燃烧室符合二向应力假设，即承受内压的圆筒壳体中存在轴向应力和环向应力或切向应力，而径向碰力相对于轴向血力和环向应力很小，在薄壁圆筒应

8、力分析中不予考虑。经过相应分析可知，在受到内压作用下，燃烧室圆筒壳体的环向应力比轴向应力大一倍。c8jc复合材料编织件预昔爿体为三维J!Ij向结构，其力学性能为各向异性，由于环向碳纤维体积分数小于轴向碳纤维体积分数，环向拉伸强度小于轴向托仲强度。因此燃烧室结构计算中血当首先考虑能否满足环向应力要求。c悖ic复合材料属于塑性材料范畴．应采用第四强度理论对承压状态下c肟·c复合材料燃烧室进行强度计算。根