多層隔熱材料熱防護方法

張忠利,周立新,胡錦華

(西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

運載火箭一級發(fā)動機在不滿流和滿流狀態(tài)下工作,噴管采用再生冷卻[1-5],噴管外壁溫約150 ℃,其對外輻射熱流[6-9]較小,在一級發(fā)動機工作期間,通常不考慮噴管對零部組件的輻射熱。運載火箭二級和三級發(fā)動機均是在滿流或欠膨脹[10-11]狀態(tài)下工作,由于質(zhì)量限制,大噴管部分大多采用輻射冷卻,這部分噴管外壁溫約為1 000 ℃,噴管向外壁輻射的熱流密度范圍為25～100 kW/m2,欠膨脹的燃氣在噴管外繼續(xù)膨脹,產(chǎn)生類似于“羽毛狀”的燃氣羽流,燃氣羽流向外產(chǎn)生約1 000 kW/m2的燃氣輻射,這兩項的熱流疊加后,艙內(nèi)局部的零部組件接受到的熱流將很高。

噴管周圍的電纜、調(diào)節(jié)元件、推進劑輸送管路等部組件經(jīng)受長時間熱輻射,致使其壁溫升高很多,造成電纜短路、調(diào)控失效、推進劑泄漏等故障,這些故障均可引起運載火箭發(fā)射失敗,產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。因此需對這些零部組件進行熱防護,目前可采用的熱防護方法為多層隔熱材料包覆。

本文基于運載火箭一二級發(fā)動機的分離熱、二級發(fā)動機工作時的噴管輻射熱為邊界條件,選取了氧化鋯陶瓷纖維板、硅酸鋁纖維氈、阻燃型硅橡膠組成的隔熱方案。應用一維非穩(wěn)態(tài)方法仿真分析了這兩種隔熱方案的發(fā)動機艙內(nèi)部組件的壁溫,依據(jù)隔熱組件壁溫及材料質(zhì)量,提出了耐高溫多層隔熱材料熱防護方案。使用液化氣噴槍噴吹高溫合金平板模擬燃燒室壁,模擬試驗壁溫測試值表明隔熱方案可以滿足熱防護要求。……