烧蚀台阶现象及对喷管性能的影响分析

摘要： 喷管内型面由不同材料对接而成， 对接面处不可避免地会出现烧蚀台阶。 本文对喷管的烧蚀台阶现象进行分析， 说明了烧蚀台阶的成因和不利影响；对台阶对局部流场的影响进行仿真， 展示了不同尺度的涡流现象；对不同台阶位置和深度时的喷管内流场进行计算， 分析了其对喷管性能的影响。 计算结果表明喉衬后缘的大尺寸烧蚀台阶对喷管性能影响很大， 必须在喷管设计中予以避免。

关键词： 烧蚀台阶；台阶效应； 局部流场；喷管内流场

中图分类号： V435+.14文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2015）03-0044-04

Analysis of Ablation Step Phenomenon and Its Influence on

the Performance of Nozzle

Shang Yongteng

（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

Abstract： The inner surface of nozzle consists of different materials and the ablation step is inevitable on the interface of materials. Analysis of ablation step phenomenon and its cause of formation and bad influence are explained in this paper. The influence of ablation step on local flow field is simulated to show different vortex. Calculation of nozzle flow field with different step location and depth is made to display its effect on the performance of nozzle. The results indicate that the large ablation step behind the throat has much influence on nozzle performance so that it must be avoided in the design of nozzle.

Key words： ablation step； step effect； local flow field； nozzle flow field

0引言

在固体火箭发动机喷管结构设计中， 由于喷管各部分功能各异， 所处燃气环境不同， 对烧蚀性、 耐热性要求也不同；同时考虑加工、 减重、 承力等方面的要求， 需要采用不同材料搭接组成喷管内型面， 这样两种材料的结合处就形成了缝隙[1-2]。 由于缝隙两侧材料的不同， 喷管工作过程中不可避免地会出现烧蚀台阶， 台阶的出现会破坏内流场， 在一定程度上损失喷管性能， 严重时会

收稿日期： 2014-12-01

作者简介： 尚永腾（1987-），男，山东德州人， 硕士研究生， 研究方向为固体火箭发动机喷管设计。

在台阶处形成涡流， 从而进一步加剧对缝隙下游材料的冲刷烧蚀， 使台阶再扩大， 形成台阶效应。 台阶效应会造成喷管内型面严重的冲刷烧蚀， 不仅造成推力损失， 还可能造成烧穿事故而导致发动机工作失败。

因此有必要对喷管烧蚀台阶现象进行分析， 了解其形成原因及对局部流场和喷管性能的影响， 为改进喷管设计、 减小台阶影响提供理论基础。

1烧蚀台阶的成因和不利影响

喷管喉部的烧蚀通常最为严重， 为保证喉道面积， 常采用石墨、 碳/碳等耐烧蚀材料或钨渗铜、 钼渗铜等难熔金属作为喉衬材料， 为了增强隔热效果、 减轻结构质量， 喉衬上下游常采用高硅氧/酚醛、 碳/酚醛等材料[3-7]。 不同材料的烧蚀率有差异， 表1所示为喷管常用烧蚀材料的烧蚀性能。

表1喷管常用烧蚀材料部件材料烧蚀性能喉衬石墨中碳/碳优石墨渗铜优钨渗铜不烧蚀扩张段收敛段高硅氧/酚醛差碳/酚醛中陶瓷基复合材料优

材料烧蚀率不同会导致出现烧蚀台阶， 从而对喷管性能产生不利影响[8-12]：

（1） 烧蚀台阶的出现直接导致内型面不连续， 从而造成燃气流动损失；

（2） 内型面的凹坑增加了内表面粗糙度， 破坏了壁面附近的平流边界层， 造成边界层损失增大；

（3） 若两种材料烧蚀性能相差过大， 在短时间内就会出现明显的台阶而引发台阶效应， 从而造成内型面的严重烧蚀。 图1所示为典型的台阶效应造成的喷管烧蚀现象。

图1典型的台阶效应造成的烧蚀现象

图1中， 喷管喉衬表面采用钨渗铜材料， 抗烧蚀性能很好， 在工作过程中几乎不烧蚀， 而扩散段烧蚀层采用高硅氧/酚醛材料， 其线烧蚀率约为0.2 mm/s。 在发动机工作过程中， 钨渗铜与高硅氧/酚醛接触的缝隙两侧由于烧蚀率不同而形成台阶， 台阶深度达到一定程度则出现涡流， 涡流进一步加剧了对高硅氧/酚醛的烧蚀， 由此逐渐形成图中所示的烧蚀凹坑。 通常喷管设计中， 缝隙两侧材料的烧蚀速率相差不超过3倍。

2烧蚀台阶对局部流场的影响

烧蚀台阶的直接影响是对局部流场产生干扰， 改变流线方向， 破坏平行流边界层。 图2～4分别模拟台阶迎对来流、 台阶背对来流以及来流经过凹坑时的流场情况。

图2中， 台阶处于迎对来流方位时， 在直角附近存在涡流， 但其规模很小， 速度很低（30 m/s左右）。 图3中， 台阶背对来流方向， 相比台阶迎对来流方向， 此时产生的涡流要明显的多， 涡流几乎占据了整个直角三角形的位置， 并且涡流速度较高（达500 m/s）。 图4中， 流线在凹坑内产生了规则的涡流， 涡流规模占据整个凹坑， 涡流速度较高（达350 m/s）。

图2台阶迎对来流流场情况

航空兵器2015年第3期尚永腾： 烧蚀台阶现象及对喷管性能的影响分析图3台阶背对来流流场情况

图4来流经过凹坑时的流场情况

烧蚀台阶导致流线变化， 产生涡流， 造成能量损失， 同时涡流的出现进一步加剧了对壁面的冲刷烧蚀， 有可能使热防护失效。

3烧蚀台阶对喷管性能的影响

应用Fluent对喷管进行内流场计算， 查看烧蚀台阶对喷管性能的影响。 图5为采用ICEM软件划分的计算网格。 模型为喷管常规内型面， 喉径为20 mm， 入口尺寸为53 mm， 出口尺寸为47 mm， 扩张比为5.5。

图5计算网格

求解采用基于密度的隐式算法， 湍流模型采用标准k-ε两方程模型， 各物理量的离散格式均为一阶迎风格式。 边界条件为： 压力入口为4 MPa； 压力出口为大气压； 壁面为绝热无滑移壁面。 计算所采用的燃气物性参数如表2所示。

表2燃气物性参数CP热导率黏度分子量1 927kinetic-theorysutherland20

3.1台阶位置对喷管性能的影响

对有、 无台阶的喷管内型面分别进行内流场仿真计算， 对比计算结果并分析台阶效应的影响[6]。

图6为正常内型面的喷管速度矢量图， 速度平滑过渡， 至出口处最大（达2 780 m/s）。 图7和图8分别为喉衬前缘和后缘有台阶时的速度矢量图， 显示喉衬前缘台阶处流线变化剧烈但并未出现涡流， 而后缘有台阶的位置出现涡流， 引发台阶效应。 图9为台阶效应局部速度矢量图， 可以看出， 整个凹坑范围内形成明显涡流， 涡流外部速度达500 m/s左右， 喷管在涡流的作用下烧蚀将严重加剧。

图6正常内型面喷管速度矢量图

图7喉衬前缘有台阶时的速度矢量图

图8喉衬后缘有台阶时的速度矢量图

图9台阶效应局部速度矢量图

表3为有、 无台阶效应时的喷管性能数据对比， 可以看出， 当喉衬下游出现台阶时易引发台阶效应， 造成喷管烧蚀严重， 推力损失很大（13%）。 喉衬前缘有台阶时， 性能影响不大。

表3有无台阶喷管性能数据对比台阶位置推力/N比冲/（N・s/kg）无台阶1 813.182 785.22前台阶1 802.842 777.87后台阶（深凹坑，

有台阶效应）1 569.172 406.7

3.2不同台阶尺寸对喷管性能的影响

假定喷管扩张段内型面线性烧蚀， 计算喉衬后缘台阶深度分别为1 mm， 2 mm， 3 mm时的喷管内流场， 比较台阶深度对喷管性能的影响。

图10所示为不同台阶深度时涡流的速度云图。 图10（a）中， 台阶深度1 mm时， 还不足以形成涡流； 图10（b）中， 台阶深度2 mm时， 出现涡流， 速度约300 m/s；图10（c）中， 台阶深度3 mm时， 涡流明显加大， 速度也有所提高， 可以达到450 m/s左右。 图11显示了不同台阶深度时的局部涡流。

图10不同台阶深度时涡流的速度云图

图11不同台阶深度的局部涡流

表4为计算得到的不同台阶深度时的喷管性能数据。

表4不同台阶深度时的喷管性能数据台阶深度/mm推力/N比冲/（N・s/kg）涡流速度/（m/s）11 805.962 761.41无21 796.12 750.5230031 782.242 733.5450随着台阶深度增加， 涡流产生且速度越来越高， 喷管推力和比冲均有所减小。 但由于台阶后的扩张段内型面过渡相对较平缓， 性能损失比凹坑式的台阶小。

4结论

（1） 喷管设计中， 由于材料烧蚀率的不同， 烧蚀台阶是不可避免的， 烧蚀台阶会对喷管产生不利影响， 造成性能损失， 严重时可能导致热防护失效， 发动机工作失败；

（2） 喉衬后缘有台阶比前缘有台阶对流场影响更大， 更易引发台阶效应， 喷管的烧蚀和性能损失也更大， 因此后缘台阶更要着重避免；

（3） 后缘台阶深度较小时不会引发台阶效应， 随台阶深度不断增加， 出现台阶效应， 喷管损失也逐渐加大；

（4） 烧蚀台阶的预防可采取选用烧蚀率相近的材料、 对接面应避免位于内型面明显变化之处、 喉衬后缘过渡一种中等烧蚀材料等措施。

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根据上面建立的模型和仿真的结果可以得出如下结论： （1） 正弦调相干扰可以获得幅度、 位置较为均匀的假目标群， 干扰功率利用效率较高； （2） 干扰信号参数直接决定了实施有效干扰所需的干扰功率和假目标的逼真程度， 实施干扰必须选取合适的干扰信号参数； （3） 通过选择不同的调相函数可以改变灵巧噪声干扰的干扰效果， 实现多样化干扰； （4） 相对于回波信号， 干扰信号需要有合适的时间延迟使假目标与真实目标处于不同位置， 防止假目标与真实目标叠加而提高信干比。

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