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增程弹发动机喷管烧蚀特性研究

魏岩峻  
【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。


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