惠 博，蒲德漢，劉偉凱

(西安航天動力技術(shù)研究所， 西安 710025)

0 引言

雙脈沖發(fā)動機具有兩個脈沖燃燒室，Ⅰ脈沖裝藥燃燒完成后，其絕熱殼體又成為Ⅱ脈沖燃氣的通道。在脈沖間隔期內(nèi)，Ⅰ脈沖燃燒室余熱即后效熱量會使燃燒室及噴管絕熱層繼續(xù)炭化和熱解，間隔一定時間后，在Ⅱ脈沖燃氣作用下，炭化層可能會迅速被剝離、燒蝕，導(dǎo)致絕熱層燒蝕速率明顯增大。因此Ⅰ脈沖燒蝕后絕熱層表面狀態(tài)對Ⅱ脈沖燒蝕有著重要的影響，國內(nèi)外對常規(guī)發(fā)動機絕熱層燒蝕進行了大量的研究[1]，但雙脈沖發(fā)動機絕熱層兩次燒蝕的研究較少，且主要集中在流場仿真分析方向[2-3]及雙脈沖發(fā)動機隔艙設(shè)計及壓強振蕩方向研究[4-5]。因此開展絕熱材料的二次燒蝕試驗對雙脈沖發(fā)動機估計燒蝕率有著重要意義。

圖1 脈沖發(fā)動機流動與燒蝕示意圖

1 Ⅰ脈沖絕熱材料二次燒蝕試驗裝置

為獲得雙脈沖發(fā)動機Ⅰ脈沖絕熱層的二次燒蝕特性，研究其絕熱層在不同氣流速度作用下燒蝕規(guī)律，設(shè)計了絕熱層燒蝕試驗系統(tǒng)并開展燒蝕試驗，絕熱層采用常用的EPDM[6]。具體實施方案為：Ⅰ脈沖工作結(jié)束后，待絕熱層溫度恢復(fù)至室溫，絕熱層分為剝落炭化層、保留炭化層兩種情況，分別進行Ⅱ脈沖燃氣作用，研究其燒蝕率變化情況[7]。

絕熱材料燒蝕試驗系統(tǒng)包括絕熱材料燒蝕試驗裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)以及錄像拍攝系統(tǒng)。圖2為絕熱材料燒蝕試驗裝置結(jié)構(gòu)圖。圖3為絕熱材料燒蝕試驗裝置實物圖。

2 雙脈沖發(fā)動機Ⅰ脈沖絕熱材料二次燒蝕試驗

燒蝕試驗時，將燃氣速度劃為2類，分別是低速15 m/s和高速30 m/s，燃氣速度依據(jù)流量、工作壓強、燃氣溫度等參數(shù)仿真得到。Ⅰ脈沖燒蝕試驗為Ⅱ脈沖燒蝕試驗提供不同速度下的絕熱層燒蝕試件。試驗均選用含鋁復(fù)合推進劑。

1前封頭; 2裝藥; 3燃燒室; 4低速段; 5中高速段; 6擋藥板; 7噴管圖2 試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 絕熱材料燒蝕試驗裝置實物圖

2.1 工況1結(jié)果

工況1的速度組合為Ⅰ脈沖30 m/s+Ⅱ脈沖30 m/s，工作時間為4.5 s+4.5 s，工作平均壓強組合為7 MPa+7 MPa，圖4、圖5為實測模擬I、II的內(nèi)彈道曲線，工作時間為4.5 s。

圖4 模擬Ⅰ脈沖燒蝕試驗內(nèi)彈道曲線

Ⅰ脈沖試驗后所有絕熱材料表面都已生成黑色的炭化層，炭化層材質(zhì)比較致密，且與基體連接的比較緊，沒有脫落。Ⅰ脈沖試驗后從試驗裝置中取出一組4個絕熱材料試件，作為剝落表面炭化層的試樣，對絕熱層原始厚度、燒蝕后厚度均布10點進行測厚并計算燒蝕率。測試結(jié)果見表1。從表1中可以看出EPDM絕熱材料Ⅰ脈沖線燒蝕率為0.234 1 mm/s。

圖5 模擬Ⅱ脈沖燒蝕試驗內(nèi)彈道曲線

絕熱材料試件包括炭化層、基體和熱解層，炭化層側(cè)面結(jié)構(gòu)以及試驗前、后絕熱層對比如圖6所示。熱解層由于還未達到炭化狀態(tài)，因此顏色較炭化層淺。

表1 Ⅰ脈沖試驗前、后絕熱層厚度及燒蝕率

圖6 三元乙丙絕熱材料試驗前、后結(jié)構(gòu)圖

模擬第Ⅱ脈沖工作試驗后獲得兩組試驗件，分別是Ⅱ脈沖試驗前剝落炭化層(剝落組)和保留炭化層(完整組)兩類，表2是工況1剝落組和完整組的燒蝕率。對比剝落組兩次脈沖的燒蝕率可以看出，Ⅱ脈沖燒蝕率是Ⅰ脈沖的1.77倍。分析認為剝落組Ⅱ脈沖的炭化層已經(jīng)剝離干凈，熱解層的抗燒蝕性能較原始層差，燒蝕率增大。而兩組總燒蝕率相當(dāng)，分別為0.323 7 mm/s和0.325 7 mm/s。分析認為這是由于燃氣流速較高，Ⅱ脈沖工作期間炭化層被很快沖刷掉，并未對絕熱層起到保護作用。

表2 工況1組和完整組Ⅱ脈沖試驗后絕熱層厚度及燒蝕率

2.2 試驗工況2結(jié)果

試驗工況2的速度組合為15 m/s+15 m/s，工作時間為4.5 s+4.5 s，平均工作壓強組合為7 MPa+7 MPa。圖7、圖8為實測模擬Ⅰ、Ⅱ脈沖的內(nèi)彈道曲線。

圖7 模擬Ⅰ脈沖燒蝕試驗內(nèi)彈道曲線

圖8 模擬Ⅱ脈沖燒蝕試驗內(nèi)彈道曲線

Ⅰ脈沖試驗后從試驗裝置中分別取出2個三元乙丙絕熱材料試件，作為剝落表面炭化層和保留完整炭化層的試樣。測得絕熱材料Ⅰ脈沖線燒蝕率0.234 8 mm/s，然后進行Ⅱ脈沖燒蝕試驗，試驗結(jié)果統(tǒng)計見表3。

表3 剝落組和完整組Ⅱ脈沖試驗后絕熱層厚度及燒蝕率

剝落組Ⅰ脈沖工作期間絕熱材料燒蝕率0.234 8 mm/s與Ⅱ脈沖工作期間燒蝕率0.243 0 mm/s相差不大；保留炭化層完整組的絕熱材料總燒蝕率0.193 2 mm/s明顯小于剝落組的總燒蝕率0.238 9 mm/s。說明在燃氣流速較低情況下，炭化層能在Ⅱ脈沖工作期間對絕熱層起到保護作用。

3 燒蝕絕熱層表面微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 工況1絕熱層表面炭化層SEM分析

利用JSM-5800掃描電子顯微鏡對試驗后絕熱層試件表面剩余炭化層進行了SEM分析，典型試驗工況1的Ⅱ脈沖后的絕熱層炭化層表面放大50倍、100倍、200倍、500倍的電鏡照片如圖9、圖10所示。

圖10 完整組Ⅱ脈沖炭化層表面SEM照片

燒蝕后剝落組絕熱材料的炭化層表面材質(zhì)較為疏松，附著大量白色顆粒狀鋁化合物。表面零星分布著不規(guī)則形貌的孔隙且形狀基本為圓形，最大的孔隙有0.1 mm，最大的顆粒有5 μm。完整組絕熱材料的炭化層表面材質(zhì)更為疏松，附著大量白色顆粒狀鋁化合物，孔隙內(nèi)仍然存在形貌復(fù)雜的孔隙。表面零星分布著不規(guī)則形貌的孔隙，最大的孔隙有0.05 mm，最大的顆粒有5 μm。

通過對比可以看出，剝落組和完整組Ⅱ脈沖后的炭化層表面結(jié)構(gòu)相似，說明完整組在Ⅰ脈沖工作后形成的絕熱炭化層并沒有長時間保留在基體上，而是被Ⅱ脈沖較高流速的燃氣剝落，對Ⅱ脈沖絕熱材料本體也不會產(chǎn)生保護作用。

3.2 工況2絕熱層表面炭化層SEM分析

使用相同設(shè)備及方法倍數(shù)，工況2的Ⅱ脈沖后剝落組的炭化層的電鏡照片如圖11所示。由圖可以看出，三元乙丙絕熱材料的炭化層表面材質(zhì)較為致密、平整，附著少量白色顆粒狀鋁化合物，放大500倍后可以清晰地看出基本不存在孔隙結(jié)構(gòu)。

圖11 剝落組Ⅱ脈沖炭化層表面SEM照片

工況2的Ⅱ脈沖后完整組炭化層的電鏡照片如圖12。由圖可以看出，三元乙丙絕熱材料的炭化層表面材質(zhì)較為疏松，附著大量白色顆粒狀鋁化合物，表面零星分布著不規(guī)則形貌的孔隙形狀，最大的孔隙有0.5 mm，放大500倍后可以清晰地看出孔隙內(nèi)存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

圖12 完整組Ⅱ脈沖炭化層表面SEM照片

通過對表面的結(jié)構(gòu)對比可知，工況2中，剝落組和完整組Ⅱ脈沖后的炭化層表面結(jié)構(gòu)有明顯的差異，說明在較低流速的燃氣作用下，Ⅰ脈沖形成的炭化層沒有被燃氣剝離，會一直保持到Ⅱ脈沖工作結(jié)束，對絕熱層基體產(chǎn)生一定保護作用，從而使絕熱材料的總燒蝕率明顯減小。

4 結(jié)論

1)在工況1條件下，剝落組Ⅱ脈沖燒蝕率明顯大于Ⅰ脈沖燒蝕率。完整組的絕熱材料總燒蝕率與剝落組相當(dāng)。結(jié)合SEM結(jié)果，分析認為Ⅱ脈沖工作開始時，炭化層迅速被剝離，炭化層在Ⅱ脈沖工作期間并未對絕熱材料本體起到有效的保護作用，熱解層直接暴露在燃氣中，使燒蝕率明顯增加。

2)在工況2下，完整組的絕熱材料總燒蝕率明顯小于剝落組。結(jié)合SEM結(jié)果，分析認為在較低的Ⅱ脈沖氣流作用下，Ⅰ脈沖絕熱層表面形成的炭化層滯留在絕熱層基體上，對絕熱層本體產(chǎn)生一定保護作用，從而使絕熱材料的燒蝕率明顯降低。