炮射固体火箭冲压发动机绝热层传热烧蚀性能研究

【摘要】： 近几十年来国外在火炮弹药增程技术方面发展迅速,而冲压增程弹药以其射程远和效费比好等优点在各类增程弹药中占有重要地位。在冲压发动机研究所面临的众多问题中,补燃室绝热层的安全性是不容忽视的。本文从实验和理论两方面对小口径固冲发动机补燃室绝热层的传热烧蚀机理进行了研究。 根据实验冲压发动机结构特点和补燃室燃烧流场结构,建立了补燃室三维流场燃烧物理模型,并运用FLUENT软件模拟了补燃室内燃烧及流动。计算结果表明基于环形燃气发生器特殊结构,补燃室壁面环向温度变化梯度比较大。根据碳化材料在加热过程中物化性能变化的分层特性建立了绝热层烧蚀物理模型,并根据流场计算的结果及原始材料热重分析的结果运用ANSYS有限元分析软件在给定的边界条件下对补燃室绝热层进行热分析数值计算,求解了补燃室绝热层内部的温度场。文中还研究了不同改性EPDM绝热层构型对燃气流场结构及绝热层传热性能的影响,计算结果表明由于构型的存在对流场和传热都产生了较大的影响。 最后利用冲压发动机烧蚀试验系统开展了无氧和富氧条件下的改性EPDM绝热层烧蚀试验研究。试验结果表明:富氧条件下绝热层的烧蚀机理与无氧条件有所不同,在富氧条件下绝热层试样所承受的环境要比无氧试验恶劣的多,因此在富氧的联管试验中试样被屡次烧穿。对烧蚀后的试件进行电镜扫描,能够清楚的区分碳化层、热解层、基体层,验证了碳化材料在加热过程中物化性能变化的分层特性。通过试验测得绝热层外壁面的温度曲线与仿真计算结果进行对比,结果比较一致,说明本文烧蚀机理分析是符合实际情况的,建立的物理和数学模型是合理的。