王曉麗，謝 恒，王坤杰，姚冬梅

（1. 北京航天動力研究所，北京，100076；2. 西安航天動力研究所，西安，710025）

0 引 言

增大噴管面積比是提高液體火箭上面級發(fā)動機比沖的有效途徑，而面積比的增加必定會增加噴管的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。C/C-SiC復(fù)合材料具有密度小、比強度和比模量高、耐高溫的特點，可實現(xiàn)減重、散熱和結(jié)構(gòu)等多功能的一體化，是大尺寸噴管材料的最佳選擇之一；另外，采用延伸結(jié)構(gòu)既可以節(jié)省安裝空間，又能達到增大噴管面積比的目的。美國普·惠公司研制的氫氧發(fā)動機RL10B-2的可延伸噴管[1～3]以及歐空局Vinci發(fā)動機的可延伸噴管均是采用了大尺寸可延伸碳陶復(fù)合材料噴管技術(shù)[4，5]。目前，該技術(shù)已成為國外液體動力系統(tǒng)的標志之一。

中國在C/C-SiC復(fù)合材料噴管研究領(lǐng)域起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，主要應(yīng)用于固體發(fā)動機、軌姿控發(fā)動機以及超燃沖壓發(fā)動機上，但對大尺寸薄壁噴管延伸段報道較少[6，7]。大尺寸薄壁C/C-SiC復(fù)合材料噴管的研制既要滿足碳陶材質(zhì)在富水蒸汽的燃氣中長時間抗氧化要求，又要滿足壁厚盡量薄、內(nèi)外型面變形盡量少的要求。在液氧煤油（或酒精）的燃氣環(huán)境下進行的C/C-SiC復(fù)合材料噴管的熱試車研究中，成功通過噴管直徑一般未超過800 mm的熱試車考核；但對面積比為80∶1的C/C噴管（出口直徑1060 mm）進行振動試驗時未能通過考核，說明中國的大尺寸薄壁C/C噴管制造技術(shù)與國外相比實力相差較大[8]。近年來通過對大尺寸薄壁C/C復(fù)合材料噴管進行的大量研究，取得顯著成果。

1 大尺寸薄壁C/C-SiC復(fù)合材料噴管研究

1.1 總體方案

C/C-SiC復(fù)合材料噴管的原理樣機采用“金屬噴管A段+C/C-SiC噴管B段+C/C噴管C段的多段拼接”的帶延伸機構(gòu)的總體方案，通過延伸機構(gòu)實現(xiàn)在非工作段時處于折疊收縮狀態(tài)，可減小縱向長度，而在工作時能提前打開延伸噴管，達到增大發(fā)動機面積比的目的，如圖1所示。

圖1 可延伸C/C復(fù)合材料噴管示意Fig.1 Key Figures of A Carbon-Carbon Extendable Nozzle Extension

由圖1可知，整個噴管延伸段由A、B、C 3段組成。

A段：固定段，面積比為7～30，高溫合金螺旋管束噴管，使用液氫進行排放冷卻，排放的氫氣作為 B段C/C-SiC復(fù)合材料噴管的氣膜冷卻；

B段：固定段，面積比為30～80，是C/C-SiC復(fù)合材料噴管段；

C段：可延伸段，面積比為80～200，是C/C噴管段。

其各段的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 可延伸C/C-SiC復(fù)合材料噴管延伸段結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Overall Dimensions of A C/C-SiC Extendable Nozzle Extension

由表1可知，該噴管出口直徑為1677 mm，目前中國的高空模擬試車臺均不具備試車條件，因此本文重點介紹噴管A段及噴管B段的相關(guān)研究工作，僅對噴管C段的設(shè)計與生產(chǎn)進行介紹。

1.2 設(shè)計與材料體系

1.2.1 噴管A段

噴管A段的入口面積比為7∶1，該處的燃氣溫度較高，對 C/C-SiC復(fù)合材料噴管的考核比較苛刻，為了保證噴管延伸段的工作可靠性，采用了螺旋式管束噴管方案。噴管A段的管束焊接組件由某發(fā)動機的產(chǎn)品根據(jù)面積比進行截短而得到。為了確保噴管A段在裝配噴管B段和C段之后的結(jié)構(gòu)可靠性，在噴管A段的入口和出口處，設(shè)計加強肋片。在噴管A段出口處，設(shè)計了與B段對接的法蘭結(jié)構(gòu)以及排放噴管A段冷卻氫并為噴管B段入口段提供氣膜冷卻的氣膜冷卻集合器。

1.2.2 噴管B段

噴管B段和C段在外型面設(shè)計中，主要考慮的是在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低加工難度；噴管B段工作熱環(huán)境相比噴管C段更加惡劣，所以材料選取C/C-SiC，其密度為1.8～1.9 g/cm3。

噴管B段的末端還要安裝連接噴管C段的閉鎖裝置，因此，噴管B段末端需要設(shè)計鎖片安裝結(jié)構(gòu)。

1.2.3 噴管C段

噴管C段的直徑較大，壁厚較薄，為了增加結(jié)構(gòu)強度，在外型面上設(shè)計了2組4道加強環(huán)。噴管C段入口面積比為80，該位置燃氣溫度較低，C/C復(fù)合材料+抗氧化涂層應(yīng)滿足抗氧化需求，其密度一般為1.5～1.6 g/cm3。

1.3 閉鎖裝置

固定段B段和可延伸段C段的連接與鎖緊方案采用“滾珠絲桿+彈性鎖片”方案，原理如圖2所示。

圖2 閉鎖裝置原理示意Fig.2 Latching System Principle

由圖2可知，C段延伸展開后與噴管B段之間鎖緊后存在連接縫隙，該縫隙在發(fā)動機工作狀態(tài)下因為噴管B段和C段的溫度和材料差異引起的不同的膨脹系數(shù)使該縫隙接近0，實現(xiàn)間隙式密封。鎖片既要求在噴管C段放置到位時容易產(chǎn)生撓度，又要在受到噴管C段產(chǎn)生的推力時不失穩(wěn)，因此鎖片的彎曲模量需要有一個嚴格的設(shè)計范圍。

1.4 噴管A段與噴管B段的連接

噴管A段與噴管B段的連接采用帶密封槽的法蘭連接，密封槽內(nèi)同樣安裝膨脹石墨密封圈，通過螺栓的擰緊力矩保證其連接密封性。螺栓方向與噴管母線方向平行，該結(jié)構(gòu)既可減小噴管B段的法蘭尺寸，又方便碳纖維鋪層和增加結(jié)構(gòu)強度，如圖3所示。

圖3 與噴管A的連接示意Fig.3 Interface with A Cone

2 薄壁C/C復(fù)合材料噴管制造工藝

2.1 噴管B段

通過分析噴管B段的使用環(huán)境，可確定致密化方案和基體類型。由于構(gòu)件尺寸大、壁厚小，因此材料應(yīng)具有高的力學(xué)性能和整體強度；由于燃氣為富水蒸汽燃氣，在高溫條件下對 C/C-SiC復(fù)合材料有氧化作用，因此要求復(fù)合材料具有可靠的抗氧化性能。根據(jù)構(gòu)件的使用環(huán)境，采用碳基體增強、SiC抗氧化基體的復(fù)合致密化方案，協(xié)調(diào)彎曲強度、拉伸強度、剪切強度及燒蝕抗氧化性能，滿足使用要求，致密化路線如圖4所示。

圖4 噴管B段致密化路線示意Fig.4 Manufacturing Flowchart of B Cone

噴管B段預(yù)制體制備時采用編織/針刺預(yù)制體成型技術(shù)。該方案實現(xiàn)了網(wǎng)胎針刺結(jié)構(gòu)和整體編織結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢互補，即碳纖維連續(xù)交織軸向、環(huán)向增強和網(wǎng)胎原位鉤刺短纖維法向增強，使得C/C延伸段軸向、環(huán)向、徑向的強度性能均衡化，進而促進其整體強度性能和抗燃氣燒蝕性能均衡提高。此外，該織物結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強，可根據(jù)不同的使用要求（強度、抗氧化和隔熱等要求）設(shè)計“編織＋針刺”預(yù)制體的編織層、編織層之間的連接方式和針刺層的厚度、不同纖維含量。制備的產(chǎn)品如圖5所示。

圖5 B段制備中間產(chǎn)品示間Fig5 B Cone Mid-products

2.2 噴管C段

噴管C段的出口直徑為1677 mm，高為1386 mm，預(yù)制體采用 3K碳纖維編織±45°碳纖維帶/網(wǎng)胎纏刺成型，此方案可實現(xiàn)預(yù)制體的全自動化針刺成型，提高針刺效率，減少纖維損傷，制備出結(jié)構(gòu)均勻、質(zhì)量高的預(yù)制體，可實現(xiàn)更寬的性能設(shè)計，對型面變形的敏感性小，材料的利用率高。制備的產(chǎn)品如圖6所示。

圖6 噴管C段制備中間產(chǎn)品示意Fig.6 C Cone Mid-products

2.3 薄壁C/C復(fù)合材料噴管制造技術(shù)

噴管B段、C段屬大尺寸薄壁回轉(zhuǎn)體，其制造技術(shù)需從制造工藝穩(wěn)定性和型面控制等方面開展研究。

2.3.1 制造工藝穩(wěn)定性

在預(yù)制體精細結(jié)構(gòu)精確控制基礎(chǔ)上，通過研究 C基體、SiC基體含量與大型構(gòu)件材料性能的關(guān)聯(lián)性，確定C基體、SiC基體含量的可調(diào)幅度，提高基體致密工藝的偏差許可度；通過C基體、SiC基體高織構(gòu)機理基礎(chǔ)研究，結(jié)合高效致密工藝的工藝參數(shù)穩(wěn)定性研究，可提高構(gòu)件材料的整體性能穩(wěn)定性。

2.3.2 型面控制技術(shù)

型面的精確控制是大尺寸薄壁C/C構(gòu)件的性能穩(wěn)定性和質(zhì)量控制的關(guān)鍵工藝過程，其中包括成型工藝過程中的防變形技術(shù)及精密加工技術(shù)等，主要從以下方面來保證：

a）預(yù)制體成型仿形制備；

b）工藝過程芯模定位；

c）內(nèi)外型面以及法蘭的精密加工：1）刀具材料選擇；2）切削用量優(yōu)化；3）型面機加工工裝。

通過上述3個方面的研究，確保了大尺寸薄壁C/C復(fù)合材料噴管的型面精度可以得到金屬噴管的加工精度。

2.4 鎖片、螺栓、螺母

根據(jù)對鎖片彎曲模量的要求，對碳纖維無緯布（碳布）/網(wǎng)胎復(fù)合針刺成型方案和碳布鋪層模壓成型方案進行預(yù)制體方案優(yōu)化篩選。對針刺成型板型件進行化學(xué)氣相沉積碳+樹脂浸漬炭化復(fù)合致密化制備針刺C/C-SiC復(fù)合材料；針對鋪層模壓成型，研究不同樹脂（糠酮樹脂和硼酚醛樹脂）對浸膠工藝的適應(yīng)性，浸膠樹脂含量、成型壓力、纖維含量對材料性能的影響，研究不同樹脂模壓板對炭化工藝、沉積工藝的適應(yīng)性。為優(yōu)選預(yù)制體方案，分別試制了3種鎖片試樣（針刺預(yù)制體、硼酚醛模壓預(yù)制體和糠酮模壓預(yù)制體），如圖7所示（分別是左三、中三、右三），并進行了相關(guān)性能測試，最后針刺預(yù)制體方案符合設(shè)計要求。

為了選擇螺栓和螺母更優(yōu)的預(yù)制體方案，制備了4種不同鋪層方式的針刺預(yù)制體，比較不同結(jié)構(gòu)對螺栓、螺母、螺紋剪切強度和螺桿剪切強度的影響。根據(jù)螺栓螺母的使用環(huán)境，其致密化方案與噴管B段相同。螺栓和螺母的產(chǎn)品實物如圖7所示。

圖7 C/C-SiC鎖片、螺栓、螺母示意Fig.7 C/C-SiC Fingers and Screws

3 高空模擬試車研究

試車后噴管A段和噴管B段結(jié)構(gòu)完好，如圖8所示。

圖8 噴管A+B段試車示意Fig.8 Firing Test with A Cone and B Cone

由圖8可知，噴管A段與B段間連接處未見燒蝕，鎖片安裝部位正常，不過安裝鎖片的部分螺母有松動跡象，在將來帶噴管C段的試車中，如果螺母安裝力矩失效可能引起噴管C段產(chǎn)生的推力不能完全傳遞給噴管B段，嚴重時還可能引起噴管B段和C段連接處密封失效引起漏燃氣現(xiàn)象，因此后續(xù)要對螺母力矩下降問題進行進一步的研究。

噴管 A段與 B段搭載某型號氫氧發(fā)動機進行了100 s高空模擬熱試車考核。發(fā)動機啟動后，約40 s噴管B段開始慢慢變紅，95 s時噴管B段大端變成橘紅色，即圖8a）中的淺色部分，深色條狀顯示分析認為是氣膜冷卻集合器噴出的冷卻氫對 C/C-SiC噴管壁面冷卻的效果。關(guān)機后，根據(jù)粘貼在噴管B段外壁的熱電偶測量結(jié)果可以看出，噴管 B外壁溫最高能達到1050 K，且在約95 s時外壁溫才穩(wěn)定，即C/C-SiC噴管的熱環(huán)境穩(wěn)定至少需要100 s。

仿真計算得到的溫度云圖如圖9所示。

圖9 噴管B外壁溫仿真分析結(jié)果云圖Fig.9 Temperature View for B Cone Outside

由圖9中可知：a）噴管B段外壁溫變化趨勢是先升高后降低，主要是因為：1）試車時噴管B段內(nèi)的燃氣溫度從小端到大端逐漸降低；2）噴管A段末端的氣膜冷卻集合器內(nèi)氫對噴管B段內(nèi)壁面的冷卻作用隨著向大端的偏移而逐漸減弱，這兩方面影響疊加在一起最終導(dǎo)致了如圖9所示的變化趨勢。b）仿真計算得到的外壁溫與實測結(jié)果趨勢一致，但普遍比實測值高出約150 K，原因是：1）噴管A段螺旋管內(nèi)的冷卻氫對貼壁燃氣有冷卻作用，但仿真計算時未考慮該部分燃氣的熱量輸出，導(dǎo)致噴管B段的內(nèi)側(cè)燃氣溫度比實際偏高；2）仿真時噴管B段的外壁設(shè)置為輻射壁面，未考慮對流換熱對外壁溫降溫的影響；3）仿真計算時氣膜冷卻器中噴出的氫溫度賦值可能偏高。

試車后對噴管效率分析發(fā)現(xiàn)，噴管A+B段的噴管效率比相同尺寸的螺旋管束式噴管延伸段的噴管效率低約0.4%，分析認為氣膜冷卻集合器的存在導(dǎo)致噴管型面存在臺階以及因為噴管型面出現(xiàn)臺階而引起的噴管總長縮短是導(dǎo)致噴管效率偏低的兩個主要原因。

4 結(jié)束語

a）大尺寸薄壁C/C-SiC復(fù)合材料噴管高空模擬試車后，考核了噴管與推力室的連接可靠性、噴管A段與B段連接的可靠性、B段噴管結(jié)構(gòu)及其熱環(huán)境的工作可靠性、鎖片安裝的密封性等，起到了預(yù)期的效果，為大尺寸可延伸 C/C-SiC復(fù)合材料噴管在液氫液氧火箭發(fā)動機上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；

b）雖然本次試車后噴管延伸段結(jié)構(gòu)完好，但安裝鎖片的螺母在試車后檢查發(fā)現(xiàn)力矩下降，力矩下降可能引起鎖片的松動，進而影響噴管B段與噴管C段的密封效果，因此后續(xù)將對螺栓、螺母的防松進行相關(guān)的探討；

c）大尺寸C/C-SiC復(fù)合材料噴管在液氫液氧火箭發(fā)動機上的應(yīng)用，還需要進行振動試驗、噪聲試驗等力學(xué)環(huán)境方面的研究。