固体火箭发动机内绝热材料烧蚀机理与模型

第1章绪论 1.1固体火箭发动机的热防护 固体火箭发动机（以下简称固体发动机）工作时，内部温度很高（目前很多固体发动机的内部温度在3000K以上），固体发动机壳体无法承受如此高温，因此需要采取必要的热防护措施。燃烧室一般通过在内壁粘贴软质绝热层的方式进行热防护。喷管喉部的气流速度很高，热流密度很大，为了保证喉部的型面，一般采用石墨、C/C复合材料等热结构材料。喷管收敛段和扩张段通常采用高硅氧/酚醛复合材料、碳/酚醛复合材料等硬质绝热材料。 固体发动机能够在如此高温的条件下正常工作，这都是绝热层和喉衬等热防护结构的功劳。以绝热层为例，几毫米厚的绝热层就能够将3000K的高温隔绝，使壳体保持在许用的温度范围内。由于热防护结构属于发动机的消极质量，因此发动机热防护技术是否先进可靠，不但影响发动机的可靠性，而且直接影响发动机的性能。固体发动机发明至今，发生过无数故障，经历过无数失败，在这些故障和失败中，与热防护失效有关的占了相当大的比例。 随着现代战争攻防对抗的不断升级，对导弹固体发动机性能的要求越来越高。在大幅度提升固体发动机的比冲性能越来越困难的前提下，为了提高火箭或者导弹的射程，就需要进一步提高发动机质量比，不断减小消极质量。这就要求热防护结构既要具有高可靠性，又要尽可能轻质化，减少热防护结构设计余量。这就需要更深入认识热防护失效机理，建立能够支撑热防护材料研制和热防护结构设计的先进理论和方法。此外，随着发动机要承受的过载越来越大，新的问题逐渐凸显。在导弹飞行试验中就曾经多次出现高过载导致的绝热层烧蚀异常加剧，造成发动机爆炸的严重事故。这说明现阶段对热防护结构失效机理的认识不够深入和全面，相应的预示和考核方法还无法满足需要。 固体火箭冲压发动机（以下简称固冲发动机）的补燃室通常也采用绝热材料进行热防护。由于固冲发动机工作时间长，补燃室的气流速度高，燃气往往是富氧状态，其烧蚀环境与固体发动机有较大不同。在国内早期的研究中，由于对此认识不足，仍然借鉴传统固体发动机的经验对补燃室进行选材和热防护设计，在地面试验中也出现过绝热结构失效导致补燃室烧穿的故障。 热防护是固体发动机设计与研究中的重要内容，热防护设计的主要目标是追求轻质、抗烧蚀和热结构性能好，同时要保证具有高可靠性。 例如，对燃烧室绝热层的主要要求是抗烧蚀和隔热性能好，同时也要关注与装药的相容性、粘接性、工艺性和抗老化性。 1.2固体火箭发动机绝热层的烧蚀 大多数液体发动机可以通过自身携带的燃料来进行主动冷却，而对于固体发动机来说，只能依靠材料的烧蚀进行被动的热防护，因此烧蚀是整个热防护技术的一个关键问题。 1.2.1烧蚀的概念 烧蚀简单地说是指材料在高温条件下自身质量的消耗过程，通常包括热分解、热化学反应、机械剥蚀、升华和汽化等物理化学过程。与燃烧不同，烧蚀一般是吸热过程，而且吸热越多越好。例如绝热层在受热时，会发生热分解，产生气体溢出，造成质量的消耗，同时会吸收大量的热量。在高温条件下，绝热层表面炭化层中的碳（C）会与燃气中的氧化性组分（CO2、H2O等）发生反应，这种反应会消耗炭化层的质量，同时也会吸收大量热量，减少对壳体的传热。可见绝热层在烧蚀过程，通过牺牲自身的质量，来吸收大量的热量，达到热防护的效果。 1.2.2烧蚀的分类 烧蚀问题目前还没有非常严格的分类方法。为了便于研究，根据固体发动机工作环境、热防护材料性质以及烧蚀机理的不同，可以将烧蚀分为以下几种类型。 1.非炭化材料的烧蚀 非炭化材料是指烧蚀过程不发生热解、形成炭化层的材料，这类材料包括石墨、C/C复合材料等，通常用于喷管喉衬。 2.炭化材料的烧蚀 炭化材料是指那些受热后会发生热分解、进而发生炭化、生成炭化层的材料，包括丁腈、三元乙丙橡胶（ethylene propylene diene monomer， EPDM）等软质绝热材料，以及碳/酚醛等硬质复合材料。软质绝热材料通常用于燃烧室内壁；硬质复合材料一般用于喷管收敛段、扩张段和背壁等部位。 3.表面液体层材料的烧蚀 表面液体层材料是指在烧蚀过程中表面会形成一层液体物质的材料，例如高硅氧/酚醛复合材料，这类材料烧蚀过程中表面会形成一层二氧化硅液体层。早期研究人员将高硅氧/酚醛复合材料按照炭化材料来对待，但在实践中发现由于在烧蚀过程中表面形成二氧化硅液体层后，其烧蚀规律具有一定的特殊性，采用炭化材料的烧蚀模型很难合理描述和预示，就提出了液体层的烧蚀模型。 1.2.3绝热材料烧蚀问题的复杂性 固体发动机绝热层的烧蚀是一个非常复杂的过程，其复杂性主要体现在以下几个方面。 （1）烧蚀涉及的物理化学现象多而复杂。以橡胶基绝热材料的烧蚀为例（图1.1）， 就包括复杂的传热传质过程、 高聚物的热分解和炭化、炭化层多孔介质中的流动和传热、热化学烧蚀、气流剥蚀和粒子侵蚀等，其中有些过程目前认识得还不够清楚。 （2）烧蚀具有不规则和不确定性。例如绝热层烧蚀过程，往往伴随着膨胀、起翘、变形、分层等现象，这些现象给测试和预示带来了很大的不确定性，也给建模带来了很大的难度。 （3）烧蚀建模会涉及多尺度问题。绝热材料中包含各种微米尺度的填料，还有一些纳米尺度的填料，烧蚀中一些子过程也往往发生在微观尺度，宏观的烧蚀现象往往是由微观层面的各种烧蚀过程传递而来的，而发动机设计者关注的主要是宏观烧蚀现象，包括烧蚀速率和型面变化等。在建立烧蚀模型时，如果不考虑微观尺度的烧蚀过程，往往无法准确地描述烧蚀的内在特征；但如果完全从微观层面建立模型，则计算量过大，很难应用于解决实际问题。因此目前国内外学者已经开始考虑建立多尺度的烧蚀模型。 1.2.4绝热材料烧蚀研究的重要性 根据前面的分析可知，烧蚀是固体发动机热防护中非常关键的问题，目前对其复杂机理的认识还很有限。下面从绝热材料研制和发动机设计两方面进一步阐述烧蚀研究的重要性。 1.对绝热材料研制的重要性 只有深入掌握绝热材料的烧蚀机理，才能提高绝热材料的研制水平，实现研究方法从单纯的经验型向理论与经验结合的转变。在绝热材料以往的研制中，由于对烧蚀机理的认识有限，主要依靠经验和半经验的方法。这种方式在继承型和改进型研制中是很有效的，但对于包含新机理和新问题的情况，其效率往往很低，有时候甚至会付出一定的代价，前面提到的固冲发动机烧蚀就是很好的例子。因此，只有不断提高对绝热材料烧蚀规律和机理的认识，建立更加准确的理论模型和方法，才能科学有效地指导绝热材料的研制，提高研制效率和水平。例如，研究发现炭化层是抵御烧蚀的重要屏障，提高炭化层的强度对于提高绝热材料抗冲刷能力非常有效，如果理解绝热材料的成炭机理、掌握配方组成对炭化层强度的影响规律，那么就可以有针对性地改进配方，提高绝热材料的抗冲刷性能。 2.对发动机设计的重要性 只有建立科学准确的烧蚀预示方法，才能设计出既轻质又可靠的热防护结构。而要建立科学准确的烧蚀预示方法，必须对烧蚀规律和机理有深刻的认识。与绝热材料研制类似，传统的热防护设计主要依赖实验和以往积累的经验，在遇到高过载等新问题时，往往显得力不从心。实际上，由于烧蚀问题的复杂性，很难在短期内彻底研究清楚，建立出普适性强、精度高的“完美”预示模型。因此作为发动机的研制者，应该加强对烧蚀机理和模型的认识，这样才能选择适合的理论和模型，指导热防护设计。 1.3绝热材料烧蚀研究进展 烧蚀问题非常复杂，但在固体发动机热防护中又非常重要。下面将从烧蚀实验方法与装置、烧蚀特性与机理以及烧蚀模型三个方面，对国内外绝热材料烧蚀方面的研究进展进行综述，并对未来发展进行展望。除了固体发动机外，飞行器气动热防护、火箭发射装置等也存在烧蚀与建模的问题，这些与固体发动机绝热材料烧蚀有相近之处，所以在综述中也会介绍一些有代表性的研究成果。 1.3.1烧蚀实验方法与装置 1.模拟烧蚀发动机 目前烧蚀性能测试*常用的方法是氧乙炔烧蚀试验方法，它是利用氧气和乙炔燃烧产生高温燃气，在常压下对绝热材料进行烧蚀。我国的国军标GJB323A1996规定了氧乙炔烧蚀试验方法的测试条件。该方法具有建造和实验费用低、操作简单、安全性好等优点。但是氧乙炔烧蚀法很难体现固体发动机的高压和燃气组分状态，更无法模拟过载和粒子冲蚀等特殊烧蚀环境，因此氧乙炔烧蚀法通常只适合绝热材料烧蚀性能的初步筛选。 为了更加真实地模拟固体发动机烧蚀环境，何国强、王书贤等[1，2]参考了美国军标，设计了一种烧蚀实验发动机。该烧蚀实验发动机采用真实固体推进剂，包含低速段、变速段和高速段，每段均可同时放置多片绝热材料试件，可以用来考核和筛选绝热材料，还可以用来研究气流速度等参数对绝热材料烧蚀性能的影响。 飞行过载条件下，由于加速度造成的氧化铝粒子偏转、聚集效应，会在燃烧室内形成稠密粒子射流，使绝热材料的烧蚀率增大，严重时会导致发动机爆炸。发动机地面旋转实验是一种很有效的模拟过载的实验方法，但是该方法很难克服科里奥利加速度（科氏加速度）的影响。此外旋转实验作为一种综合测试方法，费用较高，用于绝热材料筛选和烧蚀性能测试并不适合。 针对过载和稠密两相流冲刷条件下绝热材料烧蚀实验的需求，李江等[3，4]发展了一种过载模拟烧蚀实验方法。该方法有别于传统的旋转实验，能够克服科氏加速度的影响，便于开展烧蚀规律研究。过载模拟烧蚀发动机通过收敛通道产生的聚集效应，使燃气中的氧化铝粒子聚集，形成稠密粒子射流，来模拟飞行过载条件下固体发动机内的粒子聚集状态。通过更换不同直径的调节环和不同角度的烧蚀实验段，可获得不同的粒子冲刷状态（粒子浓度、速度和角度）。李江等[5，6]采用该装置开展了一系列的烧蚀实验研究，为揭示过载和稠密粒子冲刷条件的烧蚀机理提供了有效的实验方法。 2.烧蚀动态测试方法 发动机工作条件下绝热层的烧蚀在时间和空间上并非均匀的，在过载、稠密粒子侵蚀和熔渣沉积等条件下表现得尤为明显，因此发展烧蚀过程的动态测试方法，对于深入揭示烧蚀机理具有重要的意义。在这方面国内外学者开展了很多尝试，发展了一些烧蚀动态测试方法，主要包括基于X射线实时荧屏分析技术（real time X ray radiography， RTR）的测试方法、烧蚀电位计法和预埋热电偶阵列等。 王希亮[7]基于RTR技术，在过载模拟烧蚀发动机基础上，研发了一种绝热材料动态烧蚀过程实验装置（图1.2），首次捕获了稠密粒子侵蚀条件下的绝热材料动态烧蚀过程的图像，观察到了侵蚀凹坑形成过程（图1.3），通过图像处理得到了烧蚀率随时间的变化规律。 Martin[8]基于RTR系统发展了一套模拟发动机环境的烧蚀实验装置（图1.4），捕捉到了固体发动机内绝热材料动态烧蚀的精细图像。从拍摄的RTR图像（图1.5）中观察到丁腈绝热材料炭化层的整体剥落现象，而且还发现了三元乙丙绝热材料炭化层中存在高密度和低密度区。 McWhorter等[9]设计了一种烧蚀电位计（图1.6），可以实时跟踪绝热材料表面的推移。他们还使用内置热电偶对航天飞机可重复使用固体火箭助推器后封头内绝热层的烧蚀进行了实时测量[10]（图1.7）。Natali等[11]也采取在材料内部预埋热电偶的方法研究了绝热材料的烧蚀过程。孙翔宇等[12]建立了一种开放环境下绝热材料烧蚀表面的实时监测方法，用光学成像方法实时记录绝热材料表面烧蚀形貌变化和烧蚀面退移过程。 基于RTR的动态烧蚀方法可以很直观地观察烧蚀过程，而且无需在绝热层内预埋器件，但是需要有RTR这样的大型设备。烧蚀电位计和热电偶阵列无需大型设备，容易实现，但是需要在绝热材料中预埋器件，测点位置、测试数据与