固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管材料燒蝕仿真及分析

康 昊，羅 忠，武生茂，張維維

（1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110819；2.東北大學(xué)航空動(dòng)力裝備振動(dòng)及控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110819；3.內(nèi)蒙動(dòng)力機(jī)械研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

1 引言

如今，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的設(shè)計(jì)普遍采用低密度、耐高溫、具有優(yōu)異抗震性的碳基（石墨和C/C）材料［1］。在上世紀(jì)末和本世紀(jì)初，國內(nèi)外學(xué)者對于碳基材料噴管燒蝕的相關(guān)問題，給出了相對完備的結(jié)論：文獻(xiàn)［2?3］綜合考慮了邊界層湍流流動(dòng)、壁面異相化學(xué)反應(yīng)和流固導(dǎo)熱過程，建立了基于碳基材料噴管的燒蝕和傳熱模型；文獻(xiàn)［4?5］對上述模型進(jìn)一步完善，將噴管內(nèi)湍流邊界層、噴管內(nèi)流場的一維瞬態(tài)導(dǎo)熱方程和噴管壁面異相化學(xué)反應(yīng)耦合；文獻(xiàn)［6］結(jié)合兩方程k?ε湍流模型，同時(shí)對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作條件和燃燒產(chǎn)物下的燒蝕結(jié)果進(jìn)行了分析。

然而，碳基材料噴管在處于長時(shí)間高溫高壓的工作條件下，噴管喉徑處的面積會(huì)因燒蝕而明顯擴(kuò)大，通常情況下我們認(rèn)定當(dāng)燒蝕引起喉徑處面積變化超過5%時(shí)，噴管功能就視為失效［7］。顯然碳基材料噴管難以應(yīng)對長時(shí)間的工作條件，因此尋找一種零燒蝕或者燒蝕量小的噴管材料，一直是國內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)研究方向之一。

金屬鎢（W）的熔點(diǎn)溫度極高，被認(rèn)為是最能抵抗熱化學(xué)燒蝕的材料之一。文獻(xiàn)［8］提出，鎢材料喉襯燒蝕的主要機(jī)理是推進(jìn)劑燃燒組分中H2O、CO2與W發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)，這與碳基材料噴管的燒蝕原理極為相似，因此可以在相同的邊界條件下，對比鎢材料噴管與碳基材料噴管的燒蝕特性。……