尹蓮花，駱洪志，吳會(huì)強(qiáng)，陳友偉，王 曄

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

新一代運(yùn)載火箭整流罩是中國(guó)設(shè)計(jì)的最大整流罩，錐段采用馮·卡門(mén)外形（原始卵形，Von-Karmen）曲母線(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)形式，由2個(gè)半罩組成，直徑為5200 mm，采用3 mm軟木、1.2 mm厚玻璃鋼面板、28 mm厚的ROHACELL 110WF泡沫芯子組成的夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較好的氣動(dòng)外形、制造工藝性、隔熱性及吸聲降噪能力[1,2]，結(jié)構(gòu)外形見(jiàn)圖1。

圖1 馮·卡門(mén)曲面錐夾層結(jié)構(gòu)整流罩外形Fig.1 Von-Karman Fairing Outline

傳統(tǒng)整流罩防熱材料為軟木防熱材料[3]，以往型號(hào)的整流罩氣動(dòng)加熱條件為底熱流條件，軟木可以認(rèn)為是絕熱材料，然而新型大結(jié)構(gòu)馮?卡門(mén)整流罩有以下特點(diǎn)：

a）后端直徑為前端直徑的近7倍，直徑和曲率的變化很大；

b）結(jié)構(gòu)首次采用導(dǎo)熱率較低的材料（PMI泡沫夾芯）；

c）泡沫夾芯結(jié)構(gòu)采用中溫固化，在保持結(jié)構(gòu)承載能力下，夾芯外表面溫度不高于120 ℃[4,5]。

隨著研制的深入，暴露出如下問(wèn)題：馮?卡門(mén)整流罩前端軟木如果選用以往整流罩的軟木厚度，很可能會(huì)有碳化燒蝕反應(yīng)，由于軟木的熱物理性能很難在高溫下測(cè)出，因此選擇出合適的軟木厚度在仿真與試驗(yàn)中成為一個(gè)難題。

本文通過(guò)對(duì)碳化燒蝕材料的燒蝕機(jī)理分析，結(jié)合石英燈平板試驗(yàn)，首先在馮?卡門(mén)整流罩冷壁熱流的輸入條件下，對(duì)前端曲率較大處的軟木平板進(jìn)行石英燈加熱試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整軟木在高溫下的熱物理性能，進(jìn)一步給出在熱壁熱流的輸入條件下，優(yōu)化軟木的厚度，再進(jìn)行石英燈平板試驗(yàn)考核，最終確定在泡沫夾層溫度不大于120 ℃下的軟木厚度。

1 碳化燒蝕材料的燒蝕機(jī)理

從燒蝕機(jī)理上講，軟木材料屬于碳化熱解類(lèi)燒蝕材料，在加熱過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)激烈的熱解反應(yīng)。這種反應(yīng)不僅影響表面燒蝕速度，而且還影響材料內(nèi)部的溫度分布，其燒蝕模型和吸熱機(jī)理如圖2所示。

圖2 熱解面模型分層示意Fig.2 Diagrammatic Sketch of Pyrolyzation Lamination

由圖2可知，第1層為燒蝕層，其厚度為材料的燒蝕后退距離；第2層為碳化層，此層主要是材料熱解后剩留的碳骨架，以及流動(dòng)的熱解氣體；第3層為熱解面，此層內(nèi)材料發(fā)生裂解，并放出熱解氣體，由于目前采用的碳化熱解類(lèi)燒蝕材料的熱解溫度一般都在500～800 K（約227～527 ℃），因此該層比較?。坏?層為原始材料層。

軟木材料是由有機(jī)酚醛樹(shù)脂混合軟木顆粒壓制而成，低熱流密度、長(zhǎng)加熱時(shí)間的熱環(huán)境，表面燒蝕是次要的，內(nèi)部熱解反應(yīng)是主要的，此時(shí)采用簡(jiǎn)化模型會(huì)帶來(lái)較大誤差，一般需采用熱解層或熱解面模型，熱解面模型是將熱解層用熱解面來(lái)代替，因此燒蝕計(jì)算模型采用熱解面模型的基本方程[6]如下：

a）碳層：

式中為燒蝕層厚度；x1為碳化層厚度；為熱解氣體比熱容；pm˙為碳化層熱解氣體質(zhì)量流率；K為碳化層導(dǎo)熱率；ρ為碳化層密度；Cp為碳化層比熱容；T為溫度；t為時(shí)間；下標(biāo)“1”表示碳化層各物理量。

b）原始材料層：

式中 下標(biāo)“3”表示原始材料層各物理量。

式（1）中，m˙p1由熱解面的能量平衡條件確定，即：

式中 ΔHp為熱解熱。

類(lèi)似于熱解區(qū)模型，引進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系：

經(jīng)運(yùn)算，式（1）、式（2）可化為標(biāo)準(zhǔn)形式：

其中，對(duì)碳化層：i=1，有：

對(duì)原始材料層，i=3，有：

上述分析表明，以上物理模型的基本方程皆可化為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方程，即：

馮?卡門(mén)曲面夾層結(jié)構(gòu)材料的熱物理特性如表1所示。

表1 馮·卡門(mén)曲面夾層結(jié)構(gòu)材料的熱物理特性Tab.1 Thermal Physical Property of Von-Karman Sandwich Structure

圖3為冷壁熱流和石英燈加熱控制的實(shí)際加熱熱流，圖4為石英燈試驗(yàn)的玻璃鋼與泡沫芯子之間溫度隨時(shí)間的變化，通過(guò)對(duì)圖4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整軟木的熱物理性能，得出最終熱解面模型下的玻璃鋼與泡沫芯子之間溫度仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖3 前端位置石英燈加熱控制熱流Fig.3 Thermal Current of Quartz Lamp on Front Position

圖4 前端位置石英燈加熱的夾層溫度隨時(shí)間變化Fig.4 The Change of Temperture with Time of Quartz Lamp on Front Position

圖5 前端位置熱解面模型仿真的夾層溫度隨時(shí)間變化Fig.5 The Change of Temperture with Time of Pyrolyzation Simulation on Front Position

由圖4、圖5可以看出，夾層最高溫度可達(dá)300 ℃左右，遠(yuǎn)超過(guò)泡沫夾層中溫固化溫度120 ℃的要求。圖6、圖7為石英燈加熱后的泡沫芯子試驗(yàn)件，由圖6可以看出受熱表面龜裂嚴(yán)重，由圖7可以看出泡沫芯子與玻璃鋼面板夾層處已經(jīng)出現(xiàn)褶皺，有分層趨勢(shì)，因此必須增加軟木厚度以降低泡沫夾層的最高溫度。另一方面，由圖4和圖5的仿真結(jié)果可以看出，由于石英燈控制熱流在前20 s是逐漸加熱的過(guò)程，前20 s的熱流輸入對(duì)泡沫芯子的溫度熱響應(yīng)已經(jīng)有累積。由圖5可知，熱解面在140 s達(dá)到最高溫度311 ℃，從數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，通過(guò)石英燈加熱試驗(yàn)來(lái)調(diào)熱解面模型的軟木熱物理性能是可行、有效的。

圖6 平板試驗(yàn)件在石英燈加熱后的表面Fig.6 Surface with Time of Treadmill Test at Quartz Lamp

圖7 平板試驗(yàn)件在石英燈加熱后的剖面Fig.7 Section with Time of Treadmill Test at Quartz Lamp

表2為軟木基于石英燈試驗(yàn)的燒蝕材料熱物理調(diào)整后的參數(shù)，因此為下一步確定軟木的厚度打下基礎(chǔ)。

表2 軟木燒蝕材料熱物理特性估值Tab.2 Thermal Physical Ablator Property of Cork

2 軟木厚度的確定

通過(guò)冷壁熱流條件下的石英燈加熱試驗(yàn)，對(duì)平板試驗(yàn)件各層溫度的數(shù)據(jù)分析，重新計(jì)算熱解面模型的泡沫芯子內(nèi)部熱響應(yīng)，最終得到熱壁熱流，作為石英燈加熱試驗(yàn)的凈輸入熱流的條件，再給出整流罩熱環(huán)境最?lèi)毫犹庈浤竞穸葹? mm的熱壁熱流條件。3 mm軟木厚度的熱壁熱流與實(shí)際控制熱流對(duì)比如圖8所示，夾層溫度試驗(yàn)與計(jì)算情況隨溫度的變化如圖9所示。

圖8 3mm軟木平板試驗(yàn)石英燈加熱控制熱流Fig.8 Thermal Current of Quartz Lamp on 3mm Cork

圖9 3mm軟木平板試驗(yàn)夾層試驗(yàn)與仿真計(jì)算溫度對(duì)比Fig.9 Temperature Comparison between Experiment and Simulation on 3mm Cork

從表2可以看出，基于試驗(yàn)的燒蝕參數(shù)，對(duì)3 mm的軟木泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行新一輪的防熱計(jì)算，在圖8給定的熱流條件下，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間離散，由結(jié)果可知空間尺寸為0.2 mm，時(shí)間步長(zhǎng)為0.07 s時(shí)，結(jié)構(gòu)收斂，能夠滿(mǎn)足計(jì)算精度需求。由圖9曲線(xiàn)可知，仿真曲線(xiàn)上溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

平板試驗(yàn)件軟木表面燒蝕情況如圖10所示，在軟木加厚之后，夾層溫度最高在120 ℃左右，滿(mǎn)足中溫固化溫度要求，軟木外面有輕微裂痕，碳化后表面材料較緊致均勻。

圖10 平板試驗(yàn)件在石英燈加熱后的表面Fig.10 Surface with Time of Treadmill Test at Quartz Lamp on 3mm Cork

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種通過(guò)石英燈加熱試驗(yàn)調(diào)整軟木燒蝕熱物理性能的方法，對(duì)整流罩馮·卡門(mén)曲面錐段泡沫夾層結(jié)構(gòu)的軟木防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在夾層溫度滿(mǎn)足中溫固化溫度的前提下，盡可能選擇最小厚度的軟木，并且在熱解面模型仿真結(jié)果和石英燈燒蝕試驗(yàn)的對(duì)比證明了這種方法的合理可行，最終得到熱壁熱流輸入條件，為最終確定軟木厚度提供了一種有效途徑。