薛 瑞，劉佩進(jìn)，王書賢

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072)

0 引言

EPDM是目前固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)壁面最常用的一種炭化型熱防護(hù)材料，其在高溫條件下形成炭化層、熱解層和材料基體層。國內(nèi)外對建立EPDM絕熱層燒蝕模型開展了大量的試驗研究[1－4]。試驗發(fā)現(xiàn)[4]，發(fā)動機(jī)工作結(jié)束后，在EPDM絕熱材料炭層表面附著有白色絮狀物質(zhì)。根據(jù)能譜分析，其主要成分為SiO2。

SiO2的熔點是1 996 K，沸點是2 503 K，均低于燃?xì)鉁囟龋?dāng)炭化層溫度高于SiO2的相變溫度后，SiO2可能以液態(tài)或氣態(tài)形式向表面遷移損耗，并可能以液膜形式附著于炭化層表面。炭化層表面的相態(tài)直接影響到燃?xì)庀蛱炕瘜拥膫鳠帷⑻炕瘜觾?nèi)部的傳熱、機(jī)械破壞模式、表面的化學(xué)反應(yīng)等。如今國內(nèi)外基于炭化層表面為固態(tài)假設(shè)下所建立的模型，如何洪慶等[5]采用氣動熱化學(xué)燒蝕機(jī)理，擴(kuò)散和化學(xué)動力學(xué)雙控制機(jī)制，并計入氣流與粒子的侵蝕，同時將燒蝕與移動邊界下的傳熱相耦合所建立的EPDM燒蝕模型，以及杜新等[6]以5個化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)建立的化學(xué)燒蝕模型，都需進(jìn)行改進(jìn)和修正。因此，迫切需要了解炭化層表面在發(fā)動機(jī)工作熱態(tài)環(huán)境中的相態(tài)。

文中利用一種燒蝕發(fā)動機(jī)，在其高速段安裝設(shè)計的表面碰撞裝置，對EPDM絕熱材料進(jìn)行高溫炭層表面相態(tài)試驗研究，并結(jié)合電鏡照片對表面相態(tài)進(jìn)行分析，可為燒蝕模型的建立提供試驗依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗方案

固體火箭發(fā)動機(jī)工作過程中的環(huán)境十分惡劣，其高溫高壓以及有兩相流沖刷的內(nèi)部環(huán)境，使得現(xiàn)階段的任何直接相態(tài)探測儀器都無法使用。從星際探測中采用撞擊探測器，對星球表面進(jìn)行探測得到啟發(fā)，如圖1所示。在發(fā)動機(jī)工作結(jié)束前(絕熱層仍處于正常燒蝕狀態(tài))采用石墨球彈射碰撞熱的絕熱層表面來進(jìn)行相態(tài)探測。由于炭化層是疏松的多孔物質(zhì)，如果表面是固態(tài)的，撞擊后會產(chǎn)生明顯的裂紋;如果表面存在較多的液相物質(zhì)，撞擊后表面只會凹陷進(jìn)去，基本不出現(xiàn)裂紋。因此，可試圖通過分析EPDM絕熱層燒蝕過程中被撞擊后的炭層表面形態(tài)變化，來判斷其在高溫?zé)岘h(huán)境下的相態(tài)。

圖1 撞擊探測器撞向彗星表面Fig.1 Photograph of im pacting detector

撞擊球材質(zhì)采用石墨的原因有3點:

(1)熱沉較低，與炭化層表面撞擊接觸時的傳熱效應(yīng)不明顯，基本不會改變炭層表面溫度;

(2)密度較小，與炭化層的撞擊力較小，保證了炭化層被撞擊后的整體完整性;

(3)主要成分與炭化層相近，不引入其他元素。

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)、燒蝕發(fā)動機(jī)試驗裝置、表面碰撞裝置、點火與時序控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。燒蝕試驗發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用含鋁5%的復(fù)合推進(jìn)劑。待測絕熱層試件長50 mm、寬20 mm、厚10 mm。試驗設(shè)計工作壓強(qiáng)為4 MPa，工作時間7.8 s。高速段燃?xì)馑俣葹?6.4 m/s，推進(jìn)劑燃溫3 134 K。

圖2 燒蝕發(fā)動機(jī)試驗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sketch of ablation testmotor

根據(jù)試驗需要，設(shè)計了一套表面碰撞裝置，并對原有燒蝕發(fā)動機(jī)的高速段殼體和試件夾進(jìn)行了改進(jìn)。該碰撞裝置較為簡易，其主要缺點為不能實現(xiàn)對發(fā)射小球初射速度的精確控制，只能通過驅(qū)動氣體壓力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)速度在一定范圍內(nèi)的變化，但這并不影響本文的研究目的。將表面碰撞裝置連接在燒蝕發(fā)動機(jī)高速段，對高速段的絕熱層進(jìn)行試驗研究。之所以選取高速段而不選取其他段，是因為本文對絕熱層相態(tài)判斷的依據(jù)是碰撞后是否有裂紋產(chǎn)生。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在不同燃?xì)饬魉贄l件下，炭化層表面形貌有明顯差別。如圖3所示，在低速下，炭層表面有明顯的縫隙，且隨著燃?xì)馑俣鹊脑龃螅芽p逐漸減少，到高速段(42 m/s)時已觀察不到裂縫。文獻(xiàn)[4]中指出，高速段炭化層表面的SiO2絮狀物比其他段更厚，其存在較大面積液膜的可能性越大。因此，為避免對撞擊裂紋產(chǎn)生干擾，只能選取高速段進(jìn)行研究。其探測過程示意圖如圖4所示。

圖3 2.4 m/s和42 m/s流速下炭化層表面SEM(×33)Fig.3 charring layer surface SEM in different gas speed(2.4 m/s and 42 m/s)

由于燃?xì)饬鲃?，使石墨球進(jìn)入高速段后的運動軌跡難以準(zhǔn)確估計。因此，將彈射位置放在前面試件的正下方，即使運動方向偏轉(zhuǎn)，也可保證石墨球能夠撞擊在后面的試件上。由于本文所采用的燒蝕試驗發(fā)動機(jī)噴管喉部直徑為9 mm，為避免石墨球撞擊后向下游運動過程中阻塞喉部發(fā)生危險，同時考慮到撞擊球撞擊炭層表面應(yīng)有一定面積，經(jīng)計算取石墨球直徑為7 mm。整個試驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 表面探測過程簡圖Fig.4 Sketch of process of surface detecting

圖5 試驗系統(tǒng)簡圖Fig.5 Sketch of test system

2 試驗結(jié)果

2.1 壓強(qiáng)-時間曲線分析

由于在進(jìn)行本次試驗的同時，在低速段同時開展了EPDM絕熱材料炭化層表面裂紋形成試驗研究，試驗中需對觀察窗口進(jìn)行氮氣保護(hù)，從而使燃?xì)庵谢烊肓肆髁繛?.027 9 kg/s的氮氣。燃?xì)獾馁|(zhì)量流率為0.166 5 kg/s，由計算得高速段燃?xì)饪偟臒崃髅芏葹?6.02×105J。加入的少量氮氣主要混在中心燃?xì)饬鲄^(qū)中，對炭層表面的傳熱貢獻(xiàn)很少。因此，這些氮氣的加入，不會對工作中的炭層表面溫度造成很大減少。計算表明，撞擊時刻炭層表面溫度約為2 812 K。

圖6為整個試驗過程的壓強(qiáng)-時間曲線。設(shè)計工作時間為7.8 s，為了在高溫環(huán)境中完成表面相態(tài)探測，設(shè)定小球釋放時刻為點火后6 s?？煽闯?，剛開始發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)略低于設(shè)計壓強(qiáng)(4 MPa)，其原因是在時序控制上，低速段上進(jìn)行炭化層表面裂紋試驗的拍攝窗口保護(hù)氣在點火之前通入，由于氮氣的制冷作用，使裝藥初溫降低，從而使工作壓強(qiáng)達(dá)不到設(shè)計的4 MPa。t=13.6 s時刻開始點火，在t=17 ～20.1s壓強(qiáng)的上升是因為隨著裝藥的燃燒，使燃燒室內(nèi)的溫度迅速上升，從而使燃速增大。在t=20.2 s時刻的迅速上升，是因為這時釋放小球的動力氣源(8.5 MPa)打開，從而使整個發(fā)動機(jī)內(nèi)的壓力迅速上升。在t=21s左右，壓強(qiáng)又一次迅速爬升，是因為這時為低速段上進(jìn)行炭化層表面裂紋實驗開啟除氣系統(tǒng)，吹除氣源(10 MPa)的打開，使發(fā)動機(jī)內(nèi)的壓強(qiáng)又一次迅速上升。從整個壓強(qiáng)曲線來看，試驗過程按預(yù)定程序進(jìn)行。

圖6 壓強(qiáng)-時間曲線Fig.6 Curve of pressure vs tim e

2.2 被撞試驗件炭化層表面宏觀狀態(tài)

采用精度0.01 mm的小頭千分尺及精度0.01 g的電子秤對試件進(jìn)行測量，得到其燒蝕率為89 g/(s·m2)。被撞試件表面如圖7所示。從試件表面來看，有一個很明顯的凹坑。凹坑整體呈圓形，與撞擊小球外形基本相符。除凹坑以外，炭化層表面保存完好，無凹坑現(xiàn)象。這說明裂紋的產(chǎn)生完全是由撞擊造成的，從而排除了由于試驗后冷卻作用而產(chǎn)生裂紋的可能性。從形貌上來看，凹坑邊緣有較為明顯的裂紋，在凹坑中間有細(xì)小的裂紋，部分裂紋較深;從凹坑的裂紋分布來看，凹坑的右邊撞擊的力度較大，裂紋較寬，且相對較深;凹坑左邊的裂紋較細(xì)。這是由于小球撞向試件表面過程中受橫向燃?xì)獾耐苿?，撞擊時炭層受一個橫向的作用力產(chǎn)生的。對凹坑進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)凹坑深度在1.5 mm左右，直徑約5 mm。說明在此試驗燃?xì)鈮簭?qiáng)下，提供8.5 MPa的供氣動力，使得小球接觸表面的撞擊力適中。

圖7 被撞試驗件及撞擊凹坑放大圖Fig.7 Photograph of im pacted sam ple and hollowness

2.3 被撞試驗件炭化層微觀結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步分析炭化層表面被撞形貌，利用日本電子Jeol的JSM-5800掃描電鏡，對試驗件凹坑內(nèi)局部裂紋進(jìn)行電鏡掃描，該設(shè)備空間分辨率為亞微米級，可進(jìn)行顯微形貌、顯微結(jié)構(gòu)分析，見圖8～圖9。

圖8 凹坑內(nèi)局部塌陷SEMFig.8 charring layer surface SEM of impacted sample

圖9 凹坑內(nèi)局部塌陷SEMFig.9 charring layer surface SEM of impacted sample

從圖8可看出，凹坑中的裂紋呈以中心處向周圍發(fā)散的形式出現(xiàn)。脆裂產(chǎn)生的裂紋較深，長度較長。凹坑的塌陷形態(tài)與脆硬固體表面被撞擊后的形態(tài)相同。從圖9可看出，試驗件表面附著有白色顆粒狀硅的氧化物或鋁的氧化物，且產(chǎn)生的裂縫內(nèi)沒有類似液體滲入的痕跡。由此看出，由于毛細(xì)現(xiàn)象而不斷從孔隙中帶出的氣態(tài)或液態(tài)SiO2到達(dá)表面后，在高溫高速燃?xì)猸h(huán)境下很可能因為蒸發(fā)或升華而不斷的被來流燃?xì)鈳ё?，從而沒有產(chǎn)生液態(tài)SiO2滯留表面，而產(chǎn)生大SiO2液滴，其表面張力與燃?xì)獾臍鈩恿_(dá)到平衡而保持穩(wěn)定。因此，可判定在本試驗條件下，被測試驗件炭層表面主要是以固相狀態(tài)呈現(xiàn)的。

3 結(jié)論

設(shè)計了一種絕熱層炭層表面狀態(tài)探測方法，該方法可對在燒蝕試驗發(fā)動機(jī)高溫環(huán)境下工作的的絕熱層炭層表面狀態(tài)進(jìn)行探測。對被撞試件表面凹坑照片的局部放大以及掃描電鏡照片表明，在高溫?zé)岘h(huán)境下，炭層表面撞擊凹坑的產(chǎn)生是脆裂式的，排除了在燒蝕過程中EPDM炭層表面有連續(xù)較厚液膜存在的可能性。即在本試驗條件下，EPDM炭層表面在高溫環(huán)境下主要是以固相形式呈現(xiàn)的。通過掃描電鏡可看出，撞擊后產(chǎn)生的裂紋相對于整個炭化層厚度較深。說明炭化層表面在高溫?zé)釕B(tài)環(huán)境下是易碎的。

[1] 何國強(qiáng)，王國輝，等.高過載條件下固體發(fā)動機(jī)內(nèi)流場及絕熱層沖蝕研究[J].固體火箭技術(shù)，2001，24(4).

[2] Tae-Ho Lee.Experimental study of the surface regression rate to the heat transfer[R].AIAA 98-32611.

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[4] 王書賢，何國強(qiáng)，劉佩進(jìn)，等.氣相燃?xì)馑俣葘PDM絕熱材料燒蝕的影響[J].推進(jìn)技術(shù)，2010，31(2).

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[6] 杜新.固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)絕熱層燒蝕分析[J].固體火箭技術(shù)，1994，17(2).