增程弹发动机喷管烧蚀特性研究

摘要

喷管喉衬材料的烧蚀性能是增程弹发动机研究的主要方向之一。本文采用SOLO型高强脉冲电子束(HCPEB)装置及小型固体火箭发动机静态实验台研究了钼喉衬在低温双钴1-a推进剂下以钼作为增程弹发动机喷管喉衬材料的烧蚀特性。
　　首先利用Fluent软件对小型固体火箭发动机喷管内部工作时速度变化、压力分布进行初步的分析，其次利用强流脉冲电子束在不同能量密度不同次数轰击时所产生的热应力及热冲击波来模拟火箭发动机的工况条件，分析了金属钼在热力耦合作用下材料表面的微观组织结构特征及显微硬度的变化规律。最后采用小型固体火箭发动机静态实验台研究钼喉衬在低能双钴1-a推进剂下的烧蚀机理，通过拓谱高速动态信号仪器测试了低能推进剂燃烧室内压强随时间变化的规律，同时利用通过扫描电镜及其所配置的能谱分析了喷管烧蚀后各段（收敛、喉部、扩张）的表面显微结构特征和组成成分。结果表明:通过流体力学软件分析可知，增程弹发动机喷管工作时收敛段为冲刷时的开始部位，流过喷管内高温火药气体剧烈的升温使该区域压力达到最大，而对于喉部来说，当燃气由收敛段流到喉部时，因为喉部内部直径窄小，故通过其的冲刷介质速度是最快的;经过不同次数的强流脉冲电子束轰击后，钼表面的形成明显的火山坑状或长条胞状特征，辐照后钼表面的显微硬度在一定深度层上有明显的提升;在双钴1-a推进剂下钼喉衬烧蚀程度沿轴向方向不断变化，喉衬各部位烧蚀形貌存在明显的差别。在收敛段末段区域及整个喉部区域烧蚀最为严重，其主要为热化学烧蚀和粒子剧烈冲蚀，平均最大线烧蚀率为0.1475mm/s;收敛段大部分主要为热化学烧蚀和粒子轻微冲蚀;扩散段主要为热化学烧蚀。钼喉衬5s后的平均烧蚀量约为喉径面积的4.92％，未超过喉径面积的5％，可以满足在试验工况下固体火箭发动机的工作要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 喷管材料的分类

1．3．1 难熔金属

1．3．2 陶瓷基材料

1．3．3 碳／碳与石墨材料

1．3．4 树脂基材料

1．4 本文的主要研究内容

第2章 试验材料与试验方法

2．1 试验原材料及制备工艺

2．1．1 试样原材料

2．1．2 试样制备工艺

2．2 试验检测仪器

2．2．1 材料组织观察

2．2．2 材料显微硬度性能测试

2．2．3 XRD物体相分析

2．2．4 燃烧室内压强及烧蚀率的变化

2．3 试验方法

2．3．1 喷管内二维非定常流动速度压力分布

2．3．2 高强脉冲电子束冲蚀试验

2．3．3 小型固体火箭发动机静态烧蚀试验

2．4 本章小节

第3章 固体火箭发动机喷管内部流动模拟

3．1 建立数值计算模型

3．1．1 二维定常喷管内部流动设定

3．1．2 自定义函数的二维非定常模拟

3．2 计算结果及分析

3．3 本章小节

第4章 强流脉冲电子束轰击下金属钼的冲蚀特征

4．1 显微镜下原始钼表面组织分析

4．2 HCPEB辐照冲蚀后形貌

4．2．1 束流强度为45A辐照多次钼表面形貌

4．2．2 不同束流强度轰击多次钼表面特征

4．3 HCPEB辐照的烧蚀作用规律

4．3．1 烧蚀作用过程

4．3．2 烧蚀表面成份和结构影响

4．4 不同束流强度下钼表面显微硬度的变化

4．5 本章小节

第5章 以钼为喷管喉衬材料的烧蚀特性

5．1 静态烧蚀试验及条件

5．2 烧蚀产物及烧蚀行貌分析

5．2．1 喉部烧蚀表面行貌SEM分析

5．2．2 收敛段的烧蚀形貌

5．2．3 扩张段的烧蚀形貌

5．3 烧蚀机理分析

5．4 喉衬轴向的线烧蚀率

5．4．1 燃烧室内压强与时间关系

5．4．2 线烧蚀率

5．5 静试后断面的显微硬度的变化

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢