溫瑞珩

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

噴管是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，是能量轉(zhuǎn)換的重要裝置。它把推進(jìn)劑燃?xì)獾臒崮芎蛪毫?shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倥懦鰵怏w的動(dòng)能，從而產(chǎn)生反作用推力，推動(dòng)導(dǎo)彈按照既定要求飛向目標(biāo)，完成作戰(zhàn)任務(wù)。

目前，由于噴管在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中工作條件最為惡劣，它的熱防護(hù)設(shè)計(jì)好壞與否，直接關(guān)系噴管的工作可靠性，極大影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，進(jìn)而影響導(dǎo)彈的總體性能[1]。某型發(fā)動(dòng)機(jī)在2次試驗(yàn)中，均在其工作約T1s時(shí)，噴管火焰突然變大并持續(xù)逐漸分散，發(fā)生了噴管燒穿故障，造成發(fā)動(dòng)機(jī)推力急劇下降，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管燒穿故障，本文深入分析了故障原因與機(jī)理，并據(jù)此提出了防止噴管燒穿故障的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了改進(jìn)措施的有效性，為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的借鑒。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)組件主要由金屬殼體、絕熱層、玻璃鋼層、碳酚醛燒蝕層、石墨背襯和鎢滲銅喉襯組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

1.金屬殼體；2.絕熱層；3.玻璃鋼層；4.鎢滲銅喉襯；5. 石墨背襯；6. 碳酚醛燒蝕層。圖1 噴管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of nozzle

由于噴管工作時(shí)間較長(zhǎng)，所以在金屬殼體和玻璃鋼層之間粘結(jié)了絕熱層，主要由丁腈酚醛組成，目的是為了起到更好的絕熱作用，從而保護(hù)噴管不被燒穿[3]。絕熱層在安裝前首先要進(jìn)行預(yù)固化，然后與金屬殼體粘結(jié)，接著加熱加壓進(jìn)一步固化后與玻璃鋼層粘結(jié)，便完成了絕熱層的安裝。

碳酚醛燒蝕層由中強(qiáng)碳纖維按照一定的鋪設(shè)角度和酚醛樹(shù)脂模壓制成，作為噴管的內(nèi)保護(hù)層，主要是依靠其低導(dǎo)熱的特性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的高溫燃?xì)庾饔闷渖蠒r(shí)，樹(shù)脂達(dá)到分解溫度開(kāi)始分解，在表面形成一層低溫氣體附面層，降低了燃?xì)鈱?duì)噴管殼體的對(duì)流傳熱，從而起到保護(hù)噴管的作用。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.燃?xì)饬鞣较颍?.酚醛基體；3.碳纖維。圖2 碳酚醛耐燒蝕層結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Carbon phenolic ablative layer structure diagram

從噴管結(jié)構(gòu)組成可以看出，在高溫、高壓燃?xì)獾淖饔孟?，碳酚醛燒蝕層、石墨背襯和鎢滲銅喉襯等組件受熱膨脹，在噴管的軸向會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。因此，在碳酚醛燒蝕層、石墨背襯和鎢滲銅喉襯之間都設(shè)計(jì)有熱脹補(bǔ)償間隙[4]。

2 噴管燒穿故障分析

為了防止噴管發(fā)生燒穿故障，對(duì)噴管的材料和零部件都要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，包括X光探傷、敲擊法檢查和超聲檢查等，但是對(duì)于成型后噴管絕熱層的分層和較小的脫粘缺陷卻很難準(zhǔn)確測(cè)出[5-6]。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管燒穿故障，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)、材料、工藝、檢測(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中燃?xì)饬鲗?duì)噴管的作用機(jī)理等進(jìn)行了排查分析，初步確定造成燒穿故障的原因有以下幾點(diǎn)。

2.1 噴管結(jié)構(gòu)的熱脹補(bǔ)償間隙小

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，溫度高達(dá)3 000 ℃以上的高溫燃?xì)獬掷m(xù)作用于噴管的內(nèi)層結(jié)構(gòu)組件上，如果各組件之間的熱脹補(bǔ)償間隙過(guò)小，就會(huì)產(chǎn)生很大的軸向和徑向熱應(yīng)力，若不能得到有效釋放，勢(shì)必對(duì)石墨背襯、碳酚醛燒蝕層造成一定的破壞，進(jìn)而破壞玻璃鋼層、絕熱層，導(dǎo)致高溫燃?xì)庵苯幼饔糜诮饘贇んw并將其燒穿[7]。通過(guò)歷次地面試驗(yàn)成功后的殘骸檢查，發(fā)現(xiàn)碳酚醛燒蝕層沒(méi)有微小的掉塊現(xiàn)象，石墨背襯存在微小的軸向裂紋，但是玻璃鋼層均無(wú)裂紋且沒(méi)有竄氣燒蝕痕跡，說(shuō)明噴管各組件的熱脹補(bǔ)償間隙設(shè)計(jì)滿足要求。因此，由于噴管結(jié)構(gòu)的熱脹補(bǔ)償間隙過(guò)小造成結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致噴管燒穿的可能性可以排除。

2.2 碳酚醛燒蝕層抗燒蝕性能差

從圖2可以看出，此種碳纖維方向的碳酚醛燒蝕層既不會(huì)一層層地剝落，也不會(huì)形成燒蝕坑[8-9]。通過(guò)地面試驗(yàn)后的殘骸檢查，碳酚醛燒蝕層整體燒蝕均勻，燒蝕后仍有一定的燒蝕余量，由此可見(jiàn)碳酚醛燒蝕層本體性能完全滿足使用要求。因此，可以排除由于碳酚醛燒蝕層本體性能差、局部燒蝕嚴(yán)重，進(jìn)而造成噴管燒穿的可能性。

2.3 噴管和長(zhǎng)尾管間隙過(guò)大

若噴管和長(zhǎng)尾管間隙過(guò)大，熱脹補(bǔ)償不足以達(dá)到密封效果，一部分燃?xì)饩蜁?huì)由石墨背襯前部進(jìn)入石墨背襯背部，直接作用于玻璃鋼層，玻璃鋼層遭到破壞，進(jìn)而破壞絕熱層，將噴管燒穿(如圖2箭頭所示)。但從地面試驗(yàn)后的殘骸檢查來(lái)看，石墨背襯與玻璃鋼層之間沒(méi)有燒蝕痕跡，玻璃鋼層結(jié)構(gòu)完整，說(shuō)明噴管和長(zhǎng)尾管間隙設(shè)計(jì)合理。因此，由于噴管和長(zhǎng)尾管間隙過(guò)大，造成噴管燒穿的可能性可以排除。

2.4 絕熱層設(shè)計(jì)或工藝缺陷

若絕熱層預(yù)固化程度過(guò)高，其流動(dòng)性能就會(huì)變差，在粘結(jié)后進(jìn)一步固化時(shí)，便可能與金屬殼體之間存在間隙或分層等缺陷。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在高溫、高壓燃?xì)獾淖饔孟拢瑖姽芨鹘M件便會(huì)熱脹，此時(shí)作用于玻璃鋼層大約有5～7 Mpa的壓強(qiáng)和石墨背襯、鎢滲銅喉襯的徑向熱脹力，由于絕熱層存在間隙或分層等缺陷，使玻璃鋼層背部支撐不足，造成石墨背襯出現(xiàn)裂紋[10]，燃?xì)庥闪鸭y進(jìn)入噴管背部，直接作用在玻璃鋼層，玻璃鋼層在高溫高壓燃?xì)庾饔孟?，?qiáng)度急劇下降并破壞，進(jìn)而破壞絕熱層，此時(shí)燃?xì)獗阒苯幼饔糜诮饘贇んw的內(nèi)表面，對(duì)其進(jìn)行局部燒蝕。隨著時(shí)間的推移，在高溫燃?xì)獬掷m(xù)作用下，金屬殼體強(qiáng)度急劇下降，至T1(s)時(shí)，不能承載噴管內(nèi)壓強(qiáng)，導(dǎo)致噴管燒穿。

為進(jìn)一步查清發(fā)動(dòng)機(jī)噴管工作至T1(s)發(fā)生故障時(shí)的熱結(jié)構(gòu)變化及破壞情況，確認(rèn)噴管的破壞模式，以驗(yàn)證故障機(jī)理分析的正確性，進(jìn)行如下試驗(yàn)。選取與故障發(fā)動(dòng)機(jī)同批次的發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)檢查確認(rèn)存在間隙后進(jìn)行地面試驗(yàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作至約T1(s)時(shí)，噴管的相同部位再次燒穿，發(fā)動(dòng)機(jī)推力急劇下降(見(jiàn)圖3a))，故障復(fù)現(xiàn)，正常推力曲線如圖3b)所示。

圖3 推力曲線圖Fig.3 Thrust curve diagram

用內(nèi)鏡對(duì)燒穿發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢查，碳酚醛燒蝕層整體燒蝕均勻，其錐段尖角和石墨背襯錐段尖角已燒掉，但碳酚醛燒蝕層沒(méi)有裂紋和掉塊現(xiàn)象。隨后對(duì)燒穿發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)行了剖切檢查，在石墨背襯接近喉襯前端有一徑向貫通裂紋，并有燒蝕過(guò)的痕跡，說(shuō)明有燃?xì)饬鬟^(guò)。喉襯對(duì)應(yīng)部分的玻璃鋼層已經(jīng)完全碳化，并有一軸向裂紋。玻璃鋼層裂紋處所對(duì)應(yīng)的絕熱層已被破壞，與金屬殼體間存在脫粘和分層現(xiàn)象。

由此可以判定，由于絕熱層存在缺陷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作中噴管結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力無(wú)法有效傳遞，造成玻璃鋼層及絕熱層破壞，燃?xì)庵苯幼饔糜诮饘贇んw，致使噴管燒穿。

3 噴管設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)

針對(duì)絕熱層預(yù)固化程度過(guò)高、流動(dòng)性差的問(wèn)題，在其預(yù)固化階段，將原預(yù)固化溫度降低20 ℃，預(yù)固化時(shí)間減少40 min，其他固化條件不變，所得的預(yù)制件具有較好的流動(dòng)性，在進(jìn)一步加熱加壓固化時(shí)，具有良好的粘性流體特性，便于加工成型[11]。

另外絕熱層與金屬殼體的粘結(jié)工藝原為芯棒拉延壓伸成型，由于在成型過(guò)程中芯棒直徑無(wú)法調(diào)節(jié)，存在成型壓力局部不足的問(wèn)題，導(dǎo)致絕熱層與金屬殼體的粘結(jié)面存在夾氣或間隙缺陷。針對(duì)此問(wèn)題，采用脹具成型工藝，提高絕熱層成型壓力，使其能夠緊貼于金屬殼體內(nèi)壁，并在高溫加壓固化下除盡界面余氣，不僅提高了絕熱層的密度，而且可以確保絕熱層與金屬殼體之間粘結(jié)緊密。這樣就能夠消除因絕熱層存在缺陷、造成玻璃鋼層背部支撐不足并在工作中發(fā)生破壞，從而防止發(fā)動(dòng)機(jī)噴管燒穿。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證噴管設(shè)計(jì)改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和設(shè)計(jì)改進(jìn)的有效性，實(shí)施冷剖切及邊界條件下的驗(yàn)證性試驗(yàn)[12]。

(1) 冷剖切驗(yàn)證試驗(yàn)

冷剖切驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)改進(jìn)后絕熱層與金屬殼體的粘結(jié)面及其本體的質(zhì)量情況。方法為按照改進(jìn)措施制造一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，并經(jīng)檢查沒(méi)有空隙現(xiàn)象后進(jìn)行剖切。結(jié)果表明，粘結(jié)面粘結(jié)緊密無(wú)間隙，絕熱層本體沒(méi)有凹陷，致密性良好。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)改進(jìn)后的噴管可以有效地改善絕熱層與金屬殼體的粘結(jié)效果及本體的成型質(zhì)量，從而保證對(duì)玻璃鋼層有良好的支撐作用。

(2) 低溫驗(yàn)證試驗(yàn)

低溫驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在低溫條件下，設(shè)計(jì)改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是否滿足要求，噴管結(jié)構(gòu)是否得到有效改善。

試驗(yàn)條件依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫試驗(yàn)要求進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正常，工作正常，(見(jiàn)圖4a))，整機(jī)外觀結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)噴管燒穿現(xiàn)象。剖切噴管后可看到碳酚醛燒蝕層整體燒蝕均勻，燒蝕后仍有一定的燒蝕余量，石墨背襯存在微小的軸向裂紋，與以前試驗(yàn)一致，玻璃鋼層結(jié)構(gòu)完整無(wú)裂紋并且與石墨背襯之間的界面沒(méi)有竄氣燒蝕痕跡，絕熱層與金屬殼體間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)改進(jìn)后，絕熱層與金屬殼體的粘結(jié)質(zhì)量得到了改善，提高了對(duì)玻璃鋼層的支撐。

(3) 高溫驗(yàn)證試驗(yàn)

高溫驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在高溫條件下，采取改進(jìn)措施后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是否滿足要求，噴管結(jié)構(gòu)是否得到有效改善。

試驗(yàn)條件依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫試驗(yàn)要求[7-8]進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正常，工作正常，(見(jiàn)圖4b))，發(fā)動(dòng)機(jī)外觀結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)噴管燒穿現(xiàn)象。剖切噴管后發(fā)現(xiàn)碳酚醛燒蝕層整體燒蝕均勻，但收斂段燒蝕比低溫條件下較多，主要是由于高溫條件下燒蝕更為嚴(yán)重所致，屬于正?，F(xiàn)象。石墨背襯存在微小的軸向裂紋，與低溫試驗(yàn)一致，玻璃鋼層結(jié)構(gòu)完整無(wú)裂紋并且與石墨背襯之間的界面同樣沒(méi)有竄氣燒蝕痕跡，絕熱層與金屬殼體間也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。由此可知，設(shè)計(jì)改進(jìn)后，絕熱層與金屬殼體的粘結(jié)質(zhì)量得到了較好改善，保證了對(duì)玻璃鋼層的支撐作用。

圖4 高、低溫推力曲線圖Fig.4 Thrust curve at high temperature or low temperature

5 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)分析了發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)及造成噴管燒穿故障的主要原因，并結(jié)合故障原因?qū)姽苓M(jìn)行了設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)。改進(jìn)后的噴管經(jīng)過(guò)冷剖切、高低溫試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，噴管結(jié)構(gòu)完整，證明了設(shè)計(jì)改進(jìn)的有效性，為發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的借鑒。

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