陳林泉，王立武，劉勇瓊，鄭凱斌，吳 秋

(1.中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025；2.西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025)

0 引言

喉襯作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有重要影響[1]。C/C復(fù)合材料以其高強(qiáng)度、良好的耐燒蝕性能、極高的抗熱沖擊性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用作固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯材料[2-4]。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，喉襯內(nèi)型面受高溫、高壓、高速且含有侵蝕性粒子的熱流沖刷而遭到破壞，引起內(nèi)型面尺寸變化、喉徑擴(kuò)大，從而降低噴管效率，最終降低了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。因此，喉襯的燒蝕性能是噴管考核的主要指標(biāo)。

噴管的燒蝕過程非常復(fù)雜，其中各種因素的作用相互影響，包括推進(jìn)劑組分、發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件、反應(yīng)組分的輸運(yùn)、氣相和噴管表面的化學(xué)反應(yīng)以及噴管幾何形狀和材料特性[5]。除了化學(xué)燒蝕外，還有金屬氧化物粒子(如Al2O3)對噴管表面碰撞產(chǎn)生的機(jī)械剝離，以及熱應(yīng)力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞[6]。喉襯燒蝕實(shí)際上是一個(gè)包括傳熱、傳質(zhì)、傳動(dòng)量和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜物理化學(xué)過程[7-8]。研究表明，噴管喉襯燒蝕主要分為熱化學(xué)燒蝕和機(jī)械剝蝕，其中熱化學(xué)燒蝕起主導(dǎo)作用[2-3，6]，在噴管喉部更是如此[9]。為使高性能發(fā)動(dòng)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，必須對噴管喉襯燒蝕進(jìn)行深入研究，掌握喉襯燒蝕過程，了解高溫高壓條件下喉襯燒蝕機(jī)理，進(jìn)而找出降低喉襯燒蝕的方法。降低噴管喉襯燒蝕通常有3種不同的方法：(1)提高噴管喉襯材料的熱化學(xué)耐燒蝕性能；(2)改進(jìn)固體推進(jìn)劑配方；(3)控制噴管的邊界層。另外，也可對上述方法進(jìn)行組合使用[10]。

本文從創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法入手，基于現(xiàn)有的材料及技術(shù)水平，介紹了一種邊界層控制方法[11]，實(shí)現(xiàn)對噴管邊界層的控制，降低噴管喉襯的溫度和噴管邊界層內(nèi)氧化組分的濃度，從而降低噴管喉襯的燒蝕率。介紹了邊界層控制方法的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了該方法降低噴管喉襯燒蝕的機(jī)理及效果， 分析了該方法存在的問題及發(fā)展趨勢。

1 邊界層控制方法

在上世紀(jì)的研究中，降低噴管喉襯燒蝕的研究主要集中在提高喉襯材料的耐燒蝕性能，通過不斷研究新材料來滿足這一要求。但其研究難度較大、研制周期相對較長。因此，研究者也在不斷探索其他途徑來降低喉襯的燒蝕。2001年的美國專利文獻(xiàn)中提到了幾種降低喉襯燒蝕的方法，包括使用裝藥產(chǎn)生緩沖邊界層降低噴管燒蝕、改進(jìn)噴管型面設(shè)計(jì)減少粒子對壁面的碰撞、噴管使用耐燒蝕防護(hù)層等[12-14]。

近年來，在MURI-RNEM(2004-2009)計(jì)劃[7]中，逐漸發(fā)展了一種邊界層控制方法[11]，來降低噴管喉襯燒蝕。邊界層控制方法即Nozzle boundary-layer control system，簡稱NBLCS。圖1顯示了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)NBLCS的原理圖。

圖1 有NBLCS的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

該系統(tǒng)采用4個(gè)帶中心孔的藥柱作為燒蝕材料，將一小部分推進(jìn)劑燃?xì)?mdiv)引入燒蝕材料(SA/PVA)顆粒，燃?xì)鈱⒛芰總鹘o燒蝕材料，如圖2中的放大圖所示。該材料的高溫分解溫度相對較低，來自燃燒室的燃燒氣體將能量傳遞給SA/PVA顆粒使其熱解，轉(zhuǎn)移的推進(jìn)劑燃燒氣體(mdiv)與熱解的SA/PVA顆粒(mpyro)之間相互作用生成低溫富燃?xì)怏w混合物，并通過4個(gè)噴射孔噴射到噴管喉部稍上游區(qū)域[11]。噴射氣體的溫度比固體推進(jìn)劑的火焰溫度要低很多，形成的富燃?xì)怏w將消耗邊界層內(nèi)的氧化組分，噴射質(zhì)量流通過4個(gè)噴射口的變化如下：

minj=mdiv+mpyro

(1)

NBLCS通過降低噴管喉襯的溫度以及噴管邊界層內(nèi)氧化組分(H2O、OH和CO2)的濃度，從而有效地降低噴管喉襯燒蝕率。邊界層控制方法已被試驗(yàn)驗(yàn)證是有效的，并用于喉襯燒蝕的試驗(yàn)研究[15]。

圖2 NBLCS輸送管和噴射位置放大圖

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，NBLCS在國外仍處于試驗(yàn)研究階段，國內(nèi)暫無對該方法的研究。美國的賓夕法尼亞大學(xué)在NBLCS降低噴管喉襯燒蝕方面做了一系列的工作，主要包括理論研究與試驗(yàn)研究，通過理論與試驗(yàn)的結(jié)合，為NBLCS的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.1 理論研究

在理論研究方面，MURI-RNEM的很多學(xué)者基于前人的研究成果，積極地研究了噴管的熱化學(xué)燒蝕并建立了相關(guān)模型。在熱化學(xué)燒蝕模型中加入了NBLCS特性，對該方法降低噴管燒蝕的機(jī)理及效果進(jìn)行分析。

20世紀(jì)60～70年代，由于計(jì)算機(jī)發(fā)展水平的限制，許多學(xué)者[6，8，16-17]建立了簡化模型預(yù)測噴管的退移速度，認(rèn)為退移速度依賴于表面的多相化學(xué)動(dòng)力學(xué)，以及氧化組分向表面的擴(kuò)散速度和表面反應(yīng)產(chǎn)物離開表面的擴(kuò)散速度。80年代，Kuo和Keswani[18-19]建立了更詳細(xì)的噴管退移速度模型，盡管他們的模型比早期模型有很大改進(jìn)，并能夠適當(dāng)?shù)仡A(yù)測退移速度，但模型中仍涉及一些不必要或者在特定條件下成立的假設(shè)或近似。Borie等[20]用實(shí)驗(yàn)和模擬研究了C/C噴管的燒蝕，模型中的數(shù)值方法與Kuo和Keswani[18]的模型非常相似，但擴(kuò)展了C/C噴管材料。

Wolt和Webber[11]在2004年首次提出NBLCS，闡明了NBLCS降低噴管喉部燒蝕的基本理論與方法。Acharya和Kuo[21]更新了Kuo和Keswani的模型，該過程中改進(jìn)了噴管表面反應(yīng)的多相動(dòng)力學(xué)的設(shè)置，并將NBLCS引入到噴管中，對于金屬和非金屬推進(jìn)劑，該模型可預(yù)測55 MPa下噴管喉部的燒蝕速度。

Piyush Thakre等[5]移除了先前研究中應(yīng)用的許多近似和假設(shè)，引入了NBLCS，考慮了推進(jìn)劑化學(xué)、詳盡的熱流動(dòng)力學(xué)、氣相化學(xué)動(dòng)力學(xué)、噴管表面的多相化學(xué)反應(yīng)、組分通過邊界層的擴(kuò)散速度、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間以及噴管材料特性的變化，建立了理論和數(shù)值模型。

Ragini Acharya等[22]更新了GNEM代碼來預(yù)測石墨噴管的熱化學(xué)燒蝕速度，引入了NBLCS，結(jié)合了最近建立的燒蝕材料退移速度的經(jīng)驗(yàn)公式[23]，分析了富燃?xì)怏w到達(dá)噴管喉部前的流場結(jié)構(gòu)，研究了NBLCS噴射引起的噴管退移速度和表面溫度的下降，比較了不同反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制下NBLCS對控制噴管喉部燒蝕速度的效果。Ragini Acharya等[24]使用非金屬推進(jìn)劑研究了NBLCS對石墨噴管燒蝕過程的影響，以類似導(dǎo)電電路的形式建立了噴管退移速度的計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果顯示，采用NBLCS后，噴管喉部的退移速度降低了80%。

Piyush Thakre等[25]模擬了文獻(xiàn)[26]中報(bào)道的試驗(yàn)研究，特別關(guān)注了噴射流體對噴管近表面物理化學(xué)過程的影響。此外，進(jìn)行了NBLCS噴射溫度、速度、位置的參變量研究。Daniele Bianchi等[27-28]也建立了具有NBLCS特征的噴管燒蝕模型，用來預(yù)測噴管的燒蝕速度。

盡管模擬結(jié)果充分表明了NBLCS降低噴管燒蝕的有效性，但仍有很多方面需要進(jìn)行更深入的研究。應(yīng)充分模擬NBLCS噴射角度、噴射位置、噴射口數(shù)量和噴射質(zhì)量等參變量的影響，從而選取最佳的噴射角度、最有利的噴射位置、最適宜的噴射口數(shù)量、最小的噴射質(zhì)量；需要擴(kuò)展NBLCS對金屬推進(jìn)劑的研究，了解NBLCS對機(jī)械剝蝕的影響；提高預(yù)測噴管燒蝕的精度，在理論上更精確地模擬NBLCS降低噴管燒蝕的效果；必須詳盡地分析NBLCS對發(fā)動(dòng)機(jī)整體熱結(jié)構(gòu)、噴管效率的影響，衡量附加燒蝕顆粒引起的消極質(zhì)量，從而為NBLCS的實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

2.2 試驗(yàn)研究

2.2.1 SA/PVA燒蝕顆粒試驗(yàn)研究

Kenneth K Kuo等[27，29]進(jìn)行了2個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)，表征并分析了SA/PVA顆粒被加熱到特定表面溫度或承受已知熱流量時(shí)的特性，試驗(yàn)裝置如圖3所示。其中，一個(gè)試驗(yàn)在已知的初始溫度下使用了加熱金屬棒，這可實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)的SA/PVA顆粒的高溫分解以及表面退移速度的測量，該試驗(yàn)為建立熱流與表面退移速度之間的關(guān)系提供了數(shù)據(jù)。在另一個(gè)試驗(yàn)中，應(yīng)用FTIR診斷學(xué)進(jìn)行了SA/PVA顆粒的快速熱分解特性研究。

圖3 傳導(dǎo)高溫分解和蒸發(fā)試驗(yàn)裝置的示意圖

結(jié)果顯示，SA/PVA樣品在543～1 163 K不會(huì)降解成更小的顆粒，它將融化并蒸發(fā)而沒有顯著的化學(xué)分解。從傅里葉變換的紅外光譜測量中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度達(dá)到773 K時(shí)，富燃顆粒會(huì)熔化并蒸發(fā)?；谂菽瓕有纬伞⒉环€(wěn)定轉(zhuǎn)變沸騰和膜沸騰過程的理解，對觀察的富燃SA/PVA顆粒的退移速度行為進(jìn)行了詳細(xì)地分析，用泡沫形成過程解釋了中間溫度區(qū)域退移速度行為的急劇變化。此外，SA/PVA顆粒的表面退移速度僅依賴于表面熱流量且呈線性關(guān)系，并建立了熱流量與富燃顆粒表面退移速度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。這些結(jié)果已經(jīng)用于噴管喉部燒蝕過程的計(jì)算模擬[22，24]。SA/PVA材料表面退移速度與熱流量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為

(2)

SA/PVA的熱力學(xué)特性如表1所示。

表1 SA/PVA的熱力學(xué)特性

選擇SA/PVA作為NBLCS的燒蝕顆粒材料，是由于它生成富燃?xì)怏w時(shí)具有相對較低的高溫分解溫度，從而能有效地降低噴管壁面的溫度[24]。根據(jù)Giesler的試驗(yàn)研究[30]，當(dāng)噴管喉部溫度高于2 600 K時(shí)，噴管喉部的燒蝕速度顯著增加，因?yàn)榇藭r(shí)會(huì)形成亞穩(wěn)態(tài)的碳的同素異形體“線型碳”，它可改變噴管材料與氧化組分的反應(yīng)速度。尤其對于高能推進(jìn)劑，應(yīng)該選擇合適的燒蝕材料，將噴管喉部的溫度降低到2 600 K以下，從而更好地降低噴管的燒蝕速度。盡管SA/PVA顆粒顯示了很好的熱力學(xué)性能，但隨著研究的不斷深入，可采用具有更好熱力學(xué)特性的燒蝕材料。有效地降低噴射流體的低溫，更好地降低邊界層內(nèi)氧化組分的濃度，使用最少質(zhì)量的燒蝕顆粒，最大限度地減少發(fā)動(dòng)機(jī)攜帶的消極質(zhì)量。

2.2.2 NBLCS試驗(yàn)研究

賓夕法尼亞大學(xué)的高壓燃燒實(shí)驗(yàn)室建立了2套發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)備：一套是固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器(RMS)，如圖4所示；另一套是小型試驗(yàn)器械固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(ISPM)，如圖5所示。

圖4 RMS漩渦燃燒室示意圖

圖5 ISPM發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖

RMS是一個(gè)氣體反應(yīng)物雙向漩渦燃燒室，用于表征不同燃燒產(chǎn)物組分下石墨噴管材料的燒蝕速度。ISPM是一個(gè)厚壁燃燒室，用于進(jìn)行非金屬和金屬固體推進(jìn)劑的噴管燒蝕研究，其最高名義壓力可達(dá)到41.4 MPa。RMS和ISPM試驗(yàn)裝置都使用相同的噴管裝配組件，而沒有考慮幾何尺寸對測量的喉部燒蝕速度影響。噴管試驗(yàn)部分和入口區(qū)域的設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)超高的工作壓力可達(dá)到41.4 MPa；

(2)半透明的X射線通道可觀察到噴管喉部的變化，所以能推演即時(shí)的燒蝕速度；

(3)采用了NBLCS，為了不影響噴管喉部表面，使用光學(xué)方法測量噴管試驗(yàn)樣品的喉部直徑[10]。

Brian Evans等[31]在RMS中加入了NBLCS[11]的特征，評估了NBLCS對降低噴管喉部燒蝕的效果。進(jìn)行了2組試驗(yàn)：

(1)進(jìn)行3個(gè)沒有NBLCS但改變?nèi)紵覊毫Φ脑囼?yàn)；

(2)進(jìn)行了3個(gè)有NBLCS的試驗(yàn)，它們的燃燒室壓力與沒有NBLCS的3組壓力分別相同。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，NBLCS成功地將噴管喉部燒蝕速度降低到不可測量的水平。證明了NBLCS降低噴管喉部燒蝕的效果，建立了無量綱噴管退移速度的經(jīng)驗(yàn)公式。

Brian Evans等[32]使用ISPM評估了NBLCS對降低噴管喉部燒蝕的效果，試驗(yàn)中使用非金屬推進(jìn)劑，因?yàn)榉墙饘偻七M(jìn)劑的燒蝕環(huán)境最惡劣。對于試驗(yàn)ISPM-08，推進(jìn)劑產(chǎn)物氣體僅通過了4個(gè)SA/PVA顆粒中的3個(gè)，這造成噴管的非對稱熱化學(xué)燒蝕；對于SA/PVA顆粒完全作用的區(qū)域，噴管的局部燒蝕速度幾乎為零；但考慮到流道阻塞引起的第4個(gè)SA/PVA顆粒的故障，該試驗(yàn)的整體燒蝕速度不為零。對于試驗(yàn)ISPM-04，在發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)燃燒過程中，推進(jìn)劑產(chǎn)物氣體始終通過NBLCS的4個(gè)SA/PVA顆粒。所以，NBLCS成功地將噴管的燒蝕速度降低到零。Brain Evans等使用ISPM證明了NBLCS降低噴管喉部燒蝕的效果，更新了中噴管退移速度的無量綱關(guān)系式[31]。

盡管RMS與ISPM試驗(yàn)驗(yàn)證了NBLCS降低噴管燒蝕的有效性，但仍存在一定問題。RMS燃燒室試驗(yàn)的最高壓力只有10 MPa，無法進(jìn)行超高壓力下的試驗(yàn)研究；ISPM試驗(yàn)過程中，發(fā)生SA/PVA流道堵塞現(xiàn)象。因此，今后仍需對上述2套試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，可通過研制新型氧化劑與燃料的注入設(shè)備，從而提高RMS燃燒室的壓力，進(jìn)而能夠在超高壓力下進(jìn)行NBLCS的試驗(yàn)研究。此外，對RMS和ISPM燒蝕研究試驗(yàn)，必須進(jìn)行詳盡的流場診斷，包括固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壓力耦合不穩(wěn)定現(xiàn)象、金屬推進(jìn)劑的顆粒流場研究、殘?jiān)男纬珊统练e過程，以及超高壓力下的燃燒現(xiàn)象。

NBLCS的設(shè)計(jì)仍可進(jìn)一步得到優(yōu)化。從試驗(yàn)來看，目前NBLCS的工作時(shí)間相對較短，對于發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下NBLCS應(yīng)有更長的工作時(shí)間；需要評估熱解這些燒蝕顆粒對推力的影響；要對NBLCS的參變量影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定低溫富燃?xì)怏w的最佳噴射條件；設(shè)計(jì)更好的燒蝕顆粒流道，防止流道堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。NBLCS從理論研究到實(shí)際應(yīng)用，還需進(jìn)行更深入研究，精確地分析NBLCS對降低噴管燒蝕的效果，有效地驗(yàn)證NBLCS的實(shí)用性，為今后NBLCS的實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.3 目前的研究水平

在理論方面，很多學(xué)者建立了采用NBLCS的燒蝕模型，這些模型都可預(yù)測氣體溫度的降低及可用富燃組分的消耗。模擬結(jié)果表明，即使在極端的傳熱傳質(zhì)條件下，采用NBLCS后，噴管喉部的化學(xué)燒蝕也基本為零。

在試驗(yàn)方面，對SA/PVA的高溫分解特性進(jìn)行了研究，得到了其高溫分解特性，并建立了其燒蝕速度與熱流量之間的計(jì)算關(guān)系式。分別使用RMS與ISPM試驗(yàn)裝置，對NBLCS降低噴管喉部燒蝕的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。RMS和ISPM試驗(yàn)都證明了NBLCS可實(shí)現(xiàn)零燒蝕，并建立了噴管退移速度的無量綱關(guān)系式[33-34]。

3 結(jié)束語

NBLCS通過降低噴管近壁面處的溫度和氧化組分的濃度，能有效降低噴管喉襯的化學(xué)燒蝕。該系統(tǒng)對噴管燒蝕率的降低主要?dú)w因于噴射流體的低溫，其次歸因于近壁面處氧化組分濃度的降低。NBLCS噴射對噴管流量有很小的影響，即使在超高壓下，有NBLCS垂直噴射的計(jì)算燒蝕率也可忽略。所以，在各種不同的工況條件下，NBLCS對充分降低火箭噴管化學(xué)燒蝕顯示了很大潛力。

然而，但該系統(tǒng)仍可進(jìn)一步得到優(yōu)化。選擇更好的燒蝕顆粒，以此來提高系統(tǒng)的整體性能；采用更好的方法向邊界層內(nèi)引入富燃物質(zhì)；最小化噴射的燒蝕顆粒的質(zhì)量。此外，應(yīng)加深NBLCS的實(shí)用性研究，需要綜合考慮NBLCS與發(fā)動(dòng)機(jī)性能之間的平衡：采用NBLCS發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)更高的燃燒室壓力，能夠產(chǎn)生更大的推力和更高的比沖；但發(fā)動(dòng)機(jī)需要攜帶燒蝕材料，這會(huì)增加整體系統(tǒng)的惰性質(zhì)量。因此，必須綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓力、NBLCS燒蝕材料的選擇、噴射方法以及噴射質(zhì)量的最小化，深入研究這些參變量，以得到最優(yōu)的NBLCS系統(tǒng)，從而更好地降低噴管喉部燒蝕率。

綜上表明，NBLCS可有效地降低噴管喉部燒蝕率，但仍有很多問題亟待解決。只有不斷提高理論研究的深度和試驗(yàn)研究的合理性，才能更好地解決NBLCS的實(shí)際應(yīng)用問題。

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