复合结构喷管烧蚀形貌的测定及其对流场的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252015V01．36No．92958-2967ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．educn复合结构喷管烧蚀形貌的测定及其对流场的影响刘锐，陈雄*，周长省，李映坤南京理工大学机械工程学院，南京210094摘要：为研究烧蚀形貌对固体火箭发动机喷管的影响，采用激光扫描技术对石墨／高硅氧复合结构喷管的烧蚀形貌进行了测量，测量结果显示：两种热防护材料的交界面处产生了烧蚀台阶，收敛

2、段内烧蚀台阶在两种材料的交界面处，而扩张段内的烧蚀台阶在交界面下游。根据所测喷管的平均烧蚀速率，反推出3个不同时刻喷管的烧蚀型面，并以此为模型对流场进行数值模拟，研究烧蚀引起的喷管型面变化对喷管内流场、壁面传热及发动机性能造成的影响，计算结果表明：扩张段内的烧蚀台阶处会产生回流区，加剧当地对流换热，台阶附近还会形成膨胀波和斜激波，对主流区域造成显著影响；而收敛段内的烧蚀台阶对主流区影响较小，与烧蚀前相比，此处台阶上游对流换热强度减弱；烧蚀台阶的出现会改变喷管壁面处的压力分布，导致发动机出现推力损失。关键词：烧蚀；激光扫描；复合结构喷

3、管；烧蚀台阶；激波中图分类号：V211；TJ714文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)09—2958—10在喷管热防护内衬的设计中，为使材料利用更加合理、经济，在不同部位采用不同的抗烧蚀材料，例如，在对流换热较强的喉部区域采用石墨，在对流换热相对较弱的收敛段和扩张段采用碳酚醛或高硅氧酚醛。这种复合结构喷管在大口径火箭发动机中应用非常广泛[1‘2]，具有较好的抗烧蚀能力，但会存在如下问题：两种不同烧蚀材料的连接部位会形成高低不平的烧蚀台阶，如果设计不当，烧蚀台阶处会形成涡流，加速两种材料交界面处的烧蚀，引起恶性循环，

4、严重者可导致喷管结构的破坏。目前，国内外对复合结构喷管的研究大都集中于固壁结构热响应口书]，所用模型均为喷管烧蚀前的几何构型，未考虑到烧蚀后形貌改变(尤其是不同烧蚀材料界面上会形成烧蚀台阶)对流场结构、壁面上压力和温度分布造成的影响，这些因素都会影响到固体壁面内的应力分布。烧蚀台阶的产生不仅会影响壳体内的应力分布，还会改变当地流场结构加剧喷管的烧蚀，早期，何国强等[73提出了一种计算喷管扩张段烧蚀台阶处对流换热的方法，并应用于“台阶效应”的计算。Daimon等∞]假设在复合结构喷管扩张段存在不同高度的台阶，对流场结构进行计算，发现台

5、阶处会产生涡流，加剧当地对流换热。综上可知，复合结构喷管中烧蚀台阶的产生会改变喷管内流场的结构，使烧蚀进一步恶化，影响壳体内应力分布，因此开展烧蚀形貌对流场影响的研究是有必要的。烧蚀台阶的形成是石墨与燃气中氧化性组分的多元异质化学反应、纤维增强材料的热解、碳化、机械剥蚀及凝相颗粒的冲刷等多种因素的综合结果。单一材质(石墨、C／C、纤维类增强复合材料)喷管的热化学烧蚀理论研究虽取得很大进展[913

6、，但准确预示复合结构喷管中不同材料界收稿Et期：2014—09—28；退修日期：2014—10-08；录用日期：2014-11-24；网络

7、出版时间：2014—12-1107：49网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／S1000—689320140326htmI基金项目：总装备部十二五预研项目(404040301)*通讯作者Tel．：025-84303785E—mail：chenxiong@njustedu．cn戮用格武tLiuR．ChenX。ZhouCS．etaLMeasurementoferosionmorphologyinacompositestructurenozzleanditsinfluenceonflowfield!JIActaAe

8、ronauticaetAstronauticaSinica．2015．36(9)：2958-296Z越锐．陈雄．局长省．等．复合结构喷管烧蚀形貌的漶定及其对流场哟影响t∞?航空学报，2015．36(9)：2958—2987．刘锐等：复合结构喷管烧蚀形貌的测定及其对流场的影响面处的烧蚀行为还存在很大难度。除理论预测外，试验测量是获得烧蚀形貌的一种直接、有效的方法。烧蚀形貌的测量也是一难题，喷管的烧蚀内表面粗糙度较高，尤其是纤维增强类材料表面，烧蚀后形成的碳化层表面含有很多孔隙，不宜采用接触式测量。目前，文献中报道过的测量方法有电荷耦合

9、器件(CCD)成像技术口41和X光透射技术口5

10、，但都有一定不足，CCD成像技术只能测出烧蚀后喉径的变化，X光技术所获得的喷管烧蚀表面数据存在较大抖动。本文采用的是逆向工程中使用的激光测量技术，它不会对烧蚀内表面造成二次破坏，能准确地