轴棒法编织C/C喉衬烧蚀性能缩比试验评价方法①

王周成，张 飞，陈 慧，史宏斌，陈 妮

(中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025)

轴棒法编织C/C喉衬烧蚀性能缩比试验评价方法①

王周成，张 飞，陈 慧，史宏斌，陈 妮

(中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025)

针对新型喉衬用轴棒法编织C/C复合材料的结构特点，建立了一种采用圆形喉衬缩比烧蚀发动机评价全尺寸发动机喉衬烧蚀性能的缩比试验方法。依据该方法进行了多发缩比烧蚀发动机试验，并结合全尺寸发动机喉衬烧蚀试验数据，给出了与发动机工况、结构尺寸和推进剂类型相关的轴棒法编织C/C喉衬烧蚀性能评价公式。利用其他批次喉衬在不同型号发动机的烧蚀数据，对评价公式进行了校验和分析，预示结果与试验结果较一致，表明建立的试验方法和评价公式能够体现缩比烧蚀发动机与全尺寸发动机烧蚀性能的相关性。

轴棒法编织C/C复合材料;烧蚀性能;圆形喉衬;缩比烧蚀发动机;全尺寸发动机

0 引言

C/C复合材料以其优越的热物理、机械及烧蚀性能，成为喷管喉衬的首选材料。其中，烧蚀性能是喉衬热结构设计的重要依据，是喉衬材料的重要指标。在固体火箭发动机热环境中，喷管喉衬的烧蚀是一个非常复杂的过程，包含了热化学烧蚀、机械剥蚀和粒子侵蚀［1-5］。近年来，通过对喉衬微观结构、热化学反应的研究［6-8］，对喉衬的烧蚀机理有了更深入的认识。C/C喉衬的烧蚀受多种因素的影响，包括燃气特性和燃烧室压强等热环境因素，以及材料的本体特性［9］。因此，通过模拟烧蚀试验来评价材料的烧蚀性能对喉衬热结构设计具有重要的指导意义和工程应用价值。C/C喉衬烧蚀性能试验方法主要包括离子加热、电弧加热［10］和烧蚀试验发动机［11］等。由于离子加热和电弧加热的烧蚀环境特定，不能真实地模拟固体火箭发动机Al2O3粒子引起的两相流以及燃气组分等因素对烧蚀的影响。为此，本文采用缩比烧蚀试验发动机评价喉衬的烧蚀性能。

目前，已有方形喉衬烧蚀试验发动机用于评价径棒法编织C/C喉衬烧蚀性能［12］，而针对新型的轴棒法编织C/C喉衬结构特点的烧蚀试验发动机评价方法还未兴起。本文基于圆形喉衬缩比烧蚀发动机，建立评价全尺寸轴棒法编织C/C喉衬烧蚀性能的试验方法和数值拟合公式。与方形喉衬缩比烧蚀发动机相比，圆形喉衬缩比烧蚀发动机具有以下优势:(1)缩比发动机与全尺寸发动机喉衬形状相同，都为圆形，能够保证燃气冲刷状态更接近真实情况;(2)圆形喉衬的加工性好，不容易产生掉棒现象，且测试结果散差较小。

1 轴棒法编织C/C喉衬烧蚀试验方法

圆形喉衬缩比烧蚀发动机采用某标准发动机燃烧室，推进剂为HTPB，结构如图1所示。缩比烧蚀发动机由燃烧室、后盖壳体、后盖绝热层、喷管壳体、圆形喉衬和扩张段绝热层组成。图2为轴棒法C/C喉衬编织结构示意图，垂直于

图1 圆形喉衬缩比烧蚀发动机结构Fig.1 Subscale ablation motor with circle throat insert

碳棒(喷管轴线)的平面上是三向互成120°的纤维。

可见，只要保证圆形喉衬轴线的方向，无论在何处取

样，其结构是一致的，若材料的均匀性好，则烧蚀性能

也是一致的。因此，缩比烧蚀发动机圆形喉衬从产品

取样时，必须保证其轴线方向与喉衬材料碳棒方向一致。

2 轴棒法编织C/C喉衬烧蚀试验与分析

进行了8发缩比烧蚀发动机圆形喉衬烧蚀试验。图3为缩比烧蚀发动机的压强-时间曲线，缩比烧蚀发动机工作时间约21s，平均工作压强约6.3 MPa，最高工作压强约7.3 MPa。8次试验的工作时间、平均工作压强和最大工作压强一致性较好，发动机个体差异对烧蚀试验结果的影响较小。图4为缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀形貌，图5为喉衬的烧蚀型面。可见，圆形喉衬烧蚀均匀，内表面较光滑。

图2 轴棒法C/C喉衬编织结构Fig.2 Braided structure of C/C composites throat insert woven with axial carbon rods

图3 缩比烧蚀发动机压强-时间曲线Fig.3 Pressure vs time curve of subscale ablation motor

图4 缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀形貌图Fig.4 Ablation image of subscale motor throat insert

图5 缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀型面Fig.5 Ablation contour of subscale motor throat insert

由于缩比烧蚀发动机圆形喉衬的烧蚀型面均匀，内表面较为光滑，故采用烧蚀厚度作为喉衬的烧蚀性能参数。缩比发动机烧蚀试验结果和全尺寸发动机试车结果见表1，并将表中的烧蚀数据绘图，如图6所示，可见，缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀厚度、全尺寸发动机喉衬的烧蚀厚度趋势是一致的，说明采用圆形喉衬的缩 比烧蚀试验可反映全尺寸发动机喉衬的烧蚀性能。

表1 缩比烧蚀发动机与全尺寸发动机喉衬烧蚀结果统计Table 1 Ablation results obtained from subscale motor and full-scale motor throat insert

图6 缩比与全尺寸发动机喉衬烧蚀厚度对比图Fig.6 Ablative thickness of subscale motor and full-scale motor throat insert

3 轴棒法编织C/C喉衬烧蚀性能评价公式

由于选取烧蚀厚度来评价喉衬烧蚀性能，同时考虑到发动机工况与尺寸差异对喉衬烧蚀的影响，建立的喉衬烧蚀性能评价公式如式(1)所示，把巴兹公式［13］中烧蚀率与压强、喉径之间的关系变换为烧蚀厚度与压强、喉径、时间之间的关系，且着重考虑了时间的独立性及其对烧蚀厚度的影响;并引入基于缩比发动机烧蚀厚度的样本方差修正项，以描述缩比发动机烧蚀厚度样本方差对全尺寸发动机烧蚀厚度的影响;最后，引入烧蚀相关性系数k和修正系数ε。

式中 k为全尺寸发动机和缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀相关性系数;b1、b2分别为全尺寸发动机和缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀厚度;b-2为缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀厚度均值;t1、t2分别为全尺寸发动机和缩比烧蚀发动机工作时间;p1、p2分别为全尺寸发动机和缩比烧蚀发动机的平均工作压强;d1、d2分别为全尺寸发动机和缩比烧蚀发动机的喷管喉径;ε为修正系数。

通过最小二乘法确定系数k和ε，令

式中 n为烧蚀子样数。

确定系数k和ε的问题就归结为求函数f(k，ε)在何处取得最小值，即

1#全尺寸发动机的推进剂为HTPB，与缩比烧蚀发动机推进剂相同，将1#全尺寸发动机和缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀试验数据代入式(3)和式(4)，求得系数k=1.216、ε=2.611。2#全尺寸发动机的推进剂为高能推进剂，与缩比烧蚀发动机推进剂不同，将2#全尺寸发动机和缩比烧蚀发动机喉衬烧蚀试验数据代入式(3)和式(4)，求得系数 k=1.246、ε=15.130。最后，获得与发动机工况、喉径和推进剂类型相关的喉衬烧蚀性能评价公式:

采用喉衬烧蚀性能评价公式预示了其他8个批次喉衬在4个型号的全尺寸发动机的烧蚀性能，具体数据见表2。其中，09～12号喉衬对应全尺寸发动机的推进剂为HTPB，13～16号喉衬对应全尺寸发动机的推进剂为高能推进剂。通过与对应喉衬在全尺寸发动机试车烧蚀数据对比可知，除了09号和14号喉衬烧蚀的预示误差稍大外，其余喉衬烧蚀预示误差均在10%以内。

分析认为，由于轴棒法编织C/C喉衬为复合材料，其均匀性是相对的。因此，在条件允许的情况下，同一喉衬在不同部位取样进行多次缩比发动机烧蚀试验能更精确地评估该喉衬的烧蚀性能;由于缩比发动机烧蚀子样数较少，喉衬烧蚀性能评价公式有待完善，随着烧蚀子样数增加，系数k和ε准确性会逐步提高，预示误差将减小。

表2 全尺寸发动机喉衬预示烧蚀性能和误差Table 2 Predicted ablative properties and error of full-scale motor throat insert

4 结论

(1)建立了采用圆形喉衬缩比烧蚀发动机评价轴棒法编织C/C喉衬烧蚀性能的试验方法。

(2)进行了多发圆形喉衬缩比烧蚀发动机试验，在缩比烧蚀发动机和全尺寸发动机喉衬烧蚀数据的基础上，给出了与发动机工况、结构尺寸和推进剂类型相关的轴棒法编织C/C喉衬烧蚀性能评价公式;采用评价公式预示了其他批次喉衬在不同型号发动机的烧蚀性能，预示误差不大于15%。

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(编辑:吕耀辉)

Subscale test method for ablative properties of throat insert using C/C composites woven with axial carbon rods

WANG Zhou-cheng，ZHANG Fei，CHEN Hui，SHI Hong-bin，CHEN Ni
(The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC，Xi′an 710025，China)

Based on the braided structure of new throat insert material C/C composite material with axial carbon rods，the subscale test method on evaluating full-scale motor throat insert ablative properties using a subscale motor with circle throat insert was developed.Several subscale ablation motor tests were performed.The formula for evaluating ablative properties of throat insert using C/C composites with axial carbon rods which relate to motor work condition，structural dimension and propellant type were obtained by combining the ablation data of subscale motor and full-scale motor.The formula was verified by using ablation data of other batch throat insert in different type motors.Results show that the relativity of ablative properties between subscale motor and full-scale motor could be represented by the developed test method and the evaluating formula.

C/C composites with axial carbon rods;ablation properties;circle throat insert;subscale ablation motor;full-scale motor

V435

A

1006-2793(2014)04-0583-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.04.029

2013-09-23;

2013-11-08。

国家973项目(973-61391)。

王周成(1985—)，男，硕士，研究方向为固体火箭发动机喷管设计。E-mail:wangzc36@163.com