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固體火箭發動機內絕熱材料燒蝕機理與模型 版權信息
- ISBN：9787030738165
- 條形碼：9787030738165 ; 978-7-03-073816-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
固體火箭發動機內絕熱材料燒蝕機理與模型 內容簡介
本書編寫目的是對絕熱材料燒蝕機理和模型方面近期新的研究成果進行系統的闡述。首先介紹固體火箭發動機熱防護和燒蝕的基本概念、燒蝕研究的重要性，以及燒蝕研究的進展情況；然后簡要介紹絕熱材料方面的基本知識；接著分別從熱分解、炭化層特性、熱化學燒蝕、剝蝕和侵蝕等方面深入闡述絕熱材料的燒蝕機理。在燒蝕機理基礎上開始介紹絕熱材料燒蝕建模，首先介紹傳統的基于分層結構的熱化學燒蝕模型，然后介紹近期新的基于多孔介質的熱化學燒蝕模型，以及在其基礎上發展而來的能夠描述熱化學、剝蝕和侵蝕耦合的燒蝕模型。*后作為一個專題介紹了高溫氧化鋁沉積下絕熱材料的燒蝕機理與模型的近期新成果。
固體火箭發動機內絕熱材料燒蝕機理與模型 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 固體火箭發動機的熱防護 1
1.2 固體火箭發動機絕熱層的燒蝕 2
1.2.1 燒蝕的概念 2
1.2.2 燒蝕的分類 2
1.2.3 絕熱材料燒蝕問題的復雜性 3
1.2.4 絕熱材料燒蝕研究的重要性 3
1.3 絕熱材料燒蝕研究進展 4
1.3.1 燒蝕實驗方法與裝置 4
1.3.2 燒蝕特性與機理 9
1.3.3 燒蝕模型 13
1.3.4 研究現狀的總結 16
1.4 絕熱材料燒蝕研究展望 16
參考文獻 17
第2章 絕熱材料與燒蝕實驗方法 21
2.1 固體發動機絕熱層的作用和要求 21
2.2 絕熱材料的分類與發展 22
2.3 絕熱材料的制備方法 23
2.3.1 共混法 23
2.3.2 溶膠凝膠法 25
2.3.3 原位聚合法 25
2.4 絕熱材料常用填料 25
2.4.1 炭黑 26
2.4.2 白炭黑 26
2.4.3 纖維 26
2.4.4 硫化劑 26
2.5 常用絕熱材料 27
2.5.1 丁腈橡膠絕熱材料 27
2.5.2 三元乙丙絕熱材料 28
2.5.3 硅橡膠絕熱材料 29
2.6 燒蝕實驗方法 31
2.6.1 氧乙炔燒蝕法 31
2.6.2 燒蝕實驗發動機法 33
2.6.3 燒蝕率 34
參考文獻 35
第3章 絕熱材料熱分解與熱化學燒蝕 36
3.1 熱分解 36
3.1.1 概述 36
3.1.2 測試方法 37
3.1.3 EPDM絕熱材料熱分解特性 39
3.1.4 EPDM絕熱材料熱分解機理與動力學 41
3.2 熱化學燒蝕 45
3.2.1 SiC的原位生成與消耗反應 46
3.2.2 熱化學主導反應式 47
3.2.3 熱化學反應熱力學分析 48
3.2.4 熱化學反應動力學分析 49
參考文獻 53
第4章 炭化層特性 54
4.1 炭化層制樣方法 54
4.2 炭化層的物理特性 54
4.2.1 密度和孔隙率 55
4.2.2 黑度 56
4.2.3 導熱系數和比熱容 57
4.3 炭化層化學特性 58
4.4 炭化層力學特性 59
4.4.1 硬度與模量 59
4.4.2 抗壓縮性能 60
4.4.3 耐磨耗性能 61
4.5 炭化層結構特性 61
4.5.1 微觀形貌 61
4.5.2 微觀結構及孔徑分布 63
4.5.3 比表面積 64
4.6 炭化層中的組分遷移 65
4.7 炭化層中的致密/疏松結構 68
4.7.1 炭化層孔隙結構對燒蝕的影響 68
4.7.2 炭化層致密/疏松現象 68
4.7.3 炭化層致密/疏松結構的形成機理 70
參考文獻 72
第5章 氣流剝蝕與粒子侵蝕 73
5.1 氣流剝蝕 73
5.1.1 燃氣速度對燒蝕的影響 73
5.1.2 炭化層冷流剝蝕實驗研究 77
5.1.3 氣流剝蝕機理的總結 88
5.2 粒子侵蝕 88
5.2.1 稠密粒子侵蝕條件下絕熱材料燒蝕特性 89
5.2.2 粒子侵蝕的熱增量 101
5.2.3 冷態粒子侵蝕條件下炭化層的強度特性 112
5.2.4 粒子侵蝕機理的總結 119
參考文獻 119
第6章 基于分層結構的熱化學燒蝕模型 121
6.1 物理模型 121
6.2 表面能量和質量守恒方程 123
6.3 氣相層流邊界層方程及數值解 126
6.3.1 層流邊界層方程 126
6.3.2 微分方程的無因次變化 127
6.3.3 常微分方程的數值解 129
6.4 氣膜分析法 130
6.5 材料內部熱響應 132
6.5.1 材料熱響應控制方程 132
6.5.2 數值處理 133
6.6 表面化學反應熱效應和組分方程 138
6.6.1 表面化學反應熱效應 138
6.6.2 表面組分守恒方程 139
6.7 計算方法 141
6.7.1 非線性方程組解法 141
6.7.2 計算流程 143
6.8 算例及驗證 145
參考文獻 148
第7章 基于多孔介質的熱化學體燒蝕模型 149
7.1 物理模型 149
7.1.1 絕熱材料燒蝕過程 149
7.1.2 體燒蝕模型概念 150
7.1.3 炭化層多孔介質物理模型 151
7.1.4 基本假設 152
7.2 數學模型 153
7.2.1 體平均控制方程 153
7.2.2 氣體組分擴散模型 159
7.2.3 初始及邊界條件 160
7.2.4 燒蝕表面熱流密度 160
7.2.5 熱化學燒蝕模型 161
7.3 數值計算方法 165
7.3.1 控制方程的一般形式 165
7.3.2 一般輸運方程的離散化 166
7.3.3 計算步驟 168
7.4 算例 169
參考文獻 172
第8章 絕熱材料的侵蝕/燒蝕耦合模型 173
8.1 侵蝕與熱化學燒蝕的耦合關系 173
8.2 基于臨界孔隙率的侵蝕/燒蝕耦合模型 174
8.2.1 建模思想 174
8.2.2 侵蝕臨界孔隙率關系式 174
8.2.3 計算流程 175
8.2.4 模型驗證及結果分析 176
8.3 基于炭化層破壞的侵蝕/燒蝕耦合模型 179
8.3.1 炭化層等效幾何單元模型 179
8.3.2 炭化層力學參數表征 180
8.3.3 粒子對炭化層的侵蝕模型 189
8.3.4 耦合計算程序 198
8.3.5 模型驗證與計算分析 200
參考文獻 207
第9章 高溫氧化鋁沉積下絕熱材料燒蝕機理與模型 209
9.1 概述 209
9.1.1 研究背景 209
9.1.2 關鍵問題 210
9.1.3 研究思路 211
9.2 固體發動機氧化鋁沉積計算 212
9.2.1 兩相流動數值模型 212
9.2.2 液滴壁面碰撞模型 214
9.2.3 典型發動機氧化鋁沉積數值模擬 215
9.3 氧化鋁沉積實驗 217
9.3.1 實驗與測試方法 217
9.3.2 實驗結果與分析 221
9.4 氧化鋁沉積熱流的反演計算 226
9.4.1 導熱反問題數值求解方法 226
9.4.2 計算模型的檢驗 231
9.4.3 沉積熱流的反演計算 232
9.4.4 氧化鋁沉積的傳熱特性分析 234
9.5 高溫氧化鋁與炭化層的反應特性研究 236
9.5.1 氧化鋁與炭化層反應的熱力學分析 236
9.5.2 氧化鋁與炭化層反應動力學研究 240
9.5.3 高溫氧化鋁與炭化層的反應機理總結 250
9.6 氧化鋁沉積條件下絕熱材料燒蝕模型 251
9.6.1 沉積燒蝕模型 251
9.6.2 沉積燒蝕計算程序 253
9.6.3 模型的檢驗與修正 254
參考文獻 261
第1章 緒論 1
1.1 固體火箭發動機的熱防護 1
1.2 固體火箭發動機絕熱層的燒蝕 2
1.2.1 燒蝕的概念 2
1.2.2 燒蝕的分類 2
1.2.3 絕熱材料燒蝕問題的復雜性 3
1.2.4 絕熱材料燒蝕研究的重要性 3
1.3 絕熱材料燒蝕研究進展 4
1.3.1 燒蝕實驗方法與裝置 4
1.3.2 燒蝕特性與機理 9
1.3.3 燒蝕模型 13
1.3.4 研究現狀的總結 16
1.4 絕熱材料燒蝕研究展望 16
參考文獻 17
第2章 絕熱材料與燒蝕實驗方法 21
2.1 固體發動機絕熱層的作用和要求 21
2.2 絕熱材料的分類與發展 22
2.3 絕熱材料的制備方法 23
2.3.1 共混法 23
2.3.2 溶膠凝膠法 25
2.3.3 原位聚合法 25
2.4 絕熱材料常用填料 25
2.4.1 炭黑 26
2.4.2 白炭黑 26
2.4.3 纖維 26
2.4.4 硫化劑 26
2.5 常用絕熱材料 27
2.5.1 丁腈橡膠絕熱材料 27
2.5.2 三元乙丙絕熱材料 28
2.5.3 硅橡膠絕熱材料 29
2.6 燒蝕實驗方法 31
2.6.1 氧乙炔燒蝕法 31
2.6.2 燒蝕實驗發動機法 33
2.6.3 燒蝕率 34
參考文獻 35
第3章 絕熱材料熱分解與熱化學燒蝕 36
3.1 熱分解 36
3.1.1 概述 36
3.1.2 測試方法 37
3.1.3 EPDM絕熱材料熱分解特性 39
3.1.4 EPDM絕熱材料熱分解機理與動力學 41
3.2 熱化學燒蝕 45
3.2.1 SiC的原位生成與消耗反應 46
3.2.2 熱化學主導反應式 47
3.2.3 熱化學反應熱力學分析 48
3.2.4 熱化學反應動力學分析 49
參考文獻 53
第4章 炭化層特性 54
4.1 炭化層制樣方法 54
4.2 炭化層的物理特性 54
4.2.1 密度和孔隙率 55
4.2.2 黑度 56
4.2.3 導熱系數和比熱容 57
4.3 炭化層化學特性 58
4.4 炭化層力學特性 59
4.4.1 硬度與模量 59
4.4.2 抗壓縮性能 60
4.4.3 耐磨耗性能 61
4.5 炭化層結構特性 61
4.5.1 微觀形貌 61
4.5.2 微觀結構及孔徑分布 63
4.5.3 比表面積 64
4.6 炭化層中的組分遷移 65
4.7 炭化層中的致密/疏松結構 68
4.7.1 炭化層孔隙結構對燒蝕的影響 68
4.7.2 炭化層致密/疏松現象 68
4.7.3 炭化層致密/疏松結構的形成機理 70
參考文獻 72
第5章 氣流剝蝕與粒子侵蝕 73
5.1 氣流剝蝕 73
5.1.1 燃氣速度對燒蝕的影響 73
5.1.2 炭化層冷流剝蝕實驗研究 77
5.1.3 氣流剝蝕機理的總結 88
5.2 粒子侵蝕 88
5.2.1 稠密粒子侵蝕條件下絕熱材料燒蝕特性 89
5.2.2 粒子侵蝕的熱增量 101
5.2.3 冷態粒子侵蝕條件下炭化層的強度特性 112
5.2.4 粒子侵蝕機理的總結 119
參考文獻 119
第6章 基于分層結構的熱化學燒蝕模型 121
6.1 物理模型 121
6.2 表面能量和質量守恒方程 123
6.3 氣相層流邊界層方程及數值解 126
6.3.1 層流邊界層方程 126
6.3.2 微分方程的無因次變化 127
6.3.3 常微分方程的數值解 129
6.4 氣膜分析法 130
6.5 材料內部熱響應 132
6.5.1 材料熱響應控制方程 132
6.5.2 數值處理 133
6.6 表面化學反應熱效應和組分方程 138
6.6.1 表面化學反應熱效應 138
6.6.2 表面組分守恒方程 139
6.7 計算方法 141
6.7.1 非線性方程組解法 141
6.7.2 計算流程 143
6.8 算例及驗證 145
參考文獻 148
第7章 基于多孔介質的熱化學體燒蝕模型 149
7.1 物理模型 149
7.1.1 絕熱材料燒蝕過程 149
7.1.2 體燒蝕模型概念 150
7.1.3 炭化層多孔介質物理模型 151
7.1.4 基本假設 152
7.2 數學模型 153
7.2.1 體平均控制方程 153
7.2.2 氣體組分擴散模型 159
7.2.3 初始及邊界條件 160
7.2.4 燒蝕表面熱流密度 160
7.2.5 熱化學燒蝕模型 161
7.3 數值計算方法 165
7.3.1 控制方程的一般形式 165
7.3.2 一般輸運方程的離散化 166
7.3.3 計算步驟 168
7.4 算例 169
參考文獻 172
第8章 絕熱材料的侵蝕/燒蝕耦合模型 173
8.1 侵蝕與熱化學燒蝕的耦合關系 173
8.2 基于臨界孔隙率的侵蝕/燒蝕耦合模型 174
8.2.1 建模思想 174
8.2.2 侵蝕臨界孔隙率關系式 174
8.2.3 計算流程 175
8.2.4 模型驗證及結果分析 176
8.3 基于炭化層破壞的侵蝕/燒蝕耦合模型 179
8.3.1 炭化層等效幾何單元模型 179
8.3.2 炭化層力學參數表征 180
8.3.3 粒子對炭化層的侵蝕模型 189
8.3.4 耦合計算程序 198
8.3.5 模型驗證與計算分析 200
參考文獻 207
第9章 高溫氧化鋁沉積下絕熱材料燒蝕機理與模型 209
9.1 概述 209
9.1.1 研究背景 209
9.1.2 關鍵問題 210
9.1.3 研究思路 211
9.2 固體發動機氧化鋁沉積計算 212
9.2.1 兩相流動數值模型 212
9.2.2 液滴壁面碰撞模型 214
9.2.3 典型發動機氧化鋁沉積數值模擬 215
9.3 氧化鋁沉積實驗 217
9.3.1 實驗與測試方法 217
9.3.2 實驗結果與分析 221
9.4 氧化鋁沉積熱流的反演計算 226
9.4.1 導熱反問題數值求解方法 226
9.4.2 計算模型的檢驗 231
9.4.3 沉積熱流的反演計算 232
9.4.4 氧化鋁沉積的傳熱特性分析 234
9.5 高溫氧化鋁與炭化層的反應特性研究 236
9.5.1 氧化鋁與炭化層反應的熱力學分析 236
9.5.2 氧化鋁與炭化層反應動力學研究 240
9.5.3 高溫氧化鋁與炭化層的反應機理總結 250
9.6 氧化鋁沉積條件下絕熱材料燒蝕模型 251
9.6.1 沉積燒蝕模型 251
9.6.2 沉積燒蝕計算程序 253
9.6.3 模型的檢驗與修正 254
參考文獻 261
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固體火箭發動機內絕熱材料燒蝕機理與模型 節選
第1章緒論 1.1固體火箭發動機的熱防護 固體火箭發動機（以下簡稱固體發動機）工作時，內部溫度很高（目前很多固體發動機的內部溫度在3000K以上），固體發動機殼體無法承受如此高溫，因此需要采取必要的熱防護措施。燃燒室一般通過在內壁粘貼軟質絕熱層的方式進行熱防護。噴管喉部的氣流速度很高，熱流密度很大，為了保證喉部的型面，一般采用石墨、C/C復合材料等熱結構材料。噴管收斂段和擴張段通常采用高硅氧/酚醛復合材料、碳/酚醛復合材料等硬質絕熱材料。 固體發動機能夠在如此高溫的條件下正常工作，這都是絕熱層和喉襯等熱防護結構的功勞。以絕熱層為例，幾毫米厚的絕熱層就能夠將3000K的高溫隔絕，使殼體保持在許用的溫度范圍內。由于熱防護結構屬于發動機的消極質量，因此發動機熱防護技術是否先進可靠，不但影響發動機的可靠性，而且直接影響發動機的性能。固體發動機發明至今，發生過無數故障，經歷過無數失敗，在這些故障和失敗中，與熱防護失效有關的占了相當大的比例。 隨著現代戰爭攻防對抗的不斷升級，對導彈固體發動機性能的要求越來越高。在大幅度提升固體發動機的比沖性能越來越困難的前提下，為了提高火箭或者導彈的射程，就需要進一步提高發動機質量比，不斷減小消極質量。這就要求熱防護結構既要具有高可靠性，又要盡可能輕質化，減少熱防護結構設計余量。這就需要更深入認識熱防護失效機理，建立能夠支撐熱防護材料研制和熱防護結構設計的先進理論和方法。此外，隨著發動機要承受的過載越來越大，新的問題逐漸凸顯。在導彈飛行試驗中就曾經多次出現高過載導致的絕熱層燒蝕異常加劇，造成發動機爆炸的嚴重事故。這說明現階段對熱防護結構失效機理的認識不夠深入和全面，相應的預示和考核方法還無法滿足需要。 固體火箭沖壓發動機（以下簡稱固沖發動機）的補燃室通常也采用絕熱材料進行熱防護。由于固沖發動機工作時間長，補燃室的氣流速度高，燃氣往往是富氧狀態，其燒蝕環境與固體發動機有較大不同。在國內早期的研究中，由于對此認識不足，仍然借鑒傳統固體發動機的經驗對補燃室進行選材和熱防護設計，在地面試驗中也出現過絕熱結構失效導致補燃室燒穿的故障。 熱防護是固體發動機設計與研究中的重要內容，熱防護設計的主要目標是追求輕質、抗燒蝕和熱結構性能好，同時要保證具有高可靠性。 例如，對燃燒室絕熱層的主要要求是抗燒蝕和隔熱性能好，同時也要關注與裝藥的相容性、粘接性、工藝性和抗老化性。 1.2固體火箭發動機絕熱層的燒蝕 大多數液體發動機可以通過自身攜帶的燃料來進行主動冷卻，而對于固體發動機來說，只能依靠材料的燒蝕進行被動的熱防護，因此燒蝕是整個熱防護技術的一個關鍵問題。 1.2.1燒蝕的概念 燒蝕簡單地說是指材料在高溫條件下自身質量的消耗過程，通常包括熱分解、熱化學反應、機械剝蝕、升華和汽化等物理化學過程。與燃燒不同，燒蝕一般是吸熱過程，而且吸熱越多越好。例如絕熱層在受熱時，會發生熱分解，產生氣體溢出，造成質量的消耗，同時會吸收大量的熱量。在高溫條件下，絕熱層表面炭化層中的碳（C）會與燃氣中的氧化性組分（CO2、H2O等）發生反應，這種反應會消耗炭化層的質量，同時也會吸收大量熱量，減少對殼體的傳熱。可見絕熱層在燒蝕過程，通過犧牲自身的質量，來吸收大量的熱量，達到熱防護的效果。 1.2.2燒蝕的分類 燒蝕問題目前還沒有非常嚴格的分類方法。為了便于研究，根據固體發動機工作環境、熱防護材料性質以及燒蝕機理的不同，可以將燒蝕分為以下幾種類型。 1.非炭化材料的燒蝕 非炭化材料是指燒蝕過程不發生熱解、形成炭化層的材料，這類材料包括石墨、C/C復合材料等，通常用于噴管喉襯。 2.炭化材料的燒蝕 炭化材料是指那些受熱后會發生熱分解、進而發生炭化、生成炭化層的材料，包括丁腈、三元乙丙橡膠（ethylene propylene diene monomer， EPDM）等軟質絕熱材料，以及碳/酚醛等硬質復合材料。軟質絕熱材料通常用于燃燒室內壁；硬質復合材料一般用于噴管收斂段、擴張段和背壁等部位。 3.表面液體層材料的燒蝕 表面液體層材料是指在燒蝕過程中表面會形成一層液體物質的材料，例如高硅氧/酚醛復合材料，這類材料燒蝕過程中表面會形成一層二氧化硅液體層。早期研究人員將高硅氧/酚醛復合材料按照炭化材料來對待，但在實踐中發現由于在燒蝕過程中表面形成二氧化硅液體層后，其燒蝕規律具有一定的特殊性，采用炭化材料的燒蝕模型很難合理描述和預示，就提出了液體層的燒蝕模型。 1.2.3絕熱材料燒蝕問題的復雜性 固體發動機絕熱層的燒蝕是一個非常復雜的過程，其復雜性主要體現在以下幾個方面。 （1）燒蝕涉及的物理化學現象多而復雜。以橡膠基絕熱材料的燒蝕為例（圖1.1）， 就包括復雜的傳熱傳質過程、 高聚物的熱分解和炭化、炭化層多孔介質中的流動和傳熱、熱化學燒蝕、氣流剝蝕和粒子侵蝕等，其中有些過程目前認識得還不夠清楚。 （2）燒蝕具有不規則和不確定性。例如絕熱層燒蝕過程，往往伴隨著膨脹、起翹、變形、分層等現象，這些現象給測試和預示帶來了很大的不確定性，也給建模帶來了很大的難度。 （3）燒蝕建模會涉及多尺度問題。絕熱材料中包含各種微米尺度的填料，還有一些納米尺度的填料，燒蝕中一些子過程也往往發生在微觀尺度，宏觀的燒蝕現象往往是由微觀層面的各種燒蝕過程傳遞而來的，而發動機設計者關注的主要是宏觀燒蝕現象，包括燒蝕速率和型面變化等。在建立燒蝕模型時，如果不考慮微觀尺度的燒蝕過程，往往無法準確地描述燒蝕的內在特征；但如果完全從微觀層面建立模型，則計算量過大，很難應用于解決實際問題。因此目前國內外學者已經開始考慮建立多尺度的燒蝕模型。 1.2.4絕熱材料燒蝕研究的重要性 根據前面的分析可知，燒蝕是固體發動機熱防護中非常關鍵的問題，目前對其復雜機理的認識還很有限。下面從絕熱材料研制和發動機設計兩方面進一步闡述燒蝕研究的重要性。 1.對絕熱材料研制的重要性 只有深入掌握絕熱材料的燒蝕機理，才能提高絕熱材料的研制水平，實現研究方法從單純的經驗型向理論與經驗結合的轉變。在絕熱材料以往的研制中，由于對燒蝕機理的認識有限，主要依靠經驗和半經驗的方法。這種方式在繼承型和改進型研制中是很有效的，但對于包含新機理和新問題的情況，其效率往往很低，有時候甚至會付出一定的代價，前面提到的固沖發動機燒蝕就是很好的例子。因此，只有不斷提高對絕熱材料燒蝕規律和機理的認識，建立更加準確的理論模型和方法，才能科學有效地指導絕熱材料的研制，提高研制效率和水平。例如，研究發現炭化層是抵御燒蝕的重要屏障，提高炭化層的強度對于提高絕熱材料抗沖刷能力非常有效，如果理解絕熱材料的成炭機理、掌握配方組成對炭化層強度的影響規律，那么就可以有針對性地改進配方，提高絕熱材料的抗沖刷性能。 2.對發動機設計的重要性 只有建立科學準確的燒蝕預示方法，才能設計出既輕質又可靠的熱防護結構。而要建立科學準確的燒蝕預示方法，必須對燒蝕規律和機理有深刻的認識。與絕熱材料研制類似，傳統的熱防護設計主要依賴實驗和以往積累的經驗，在遇到高過載等新問題時，往往顯得力不從心。實際上，由于燒蝕問題的復雜性，很難在短期內徹底研究清楚，建立出普適性強、精度高的“完美”預示模型。因此作為發動機的研制者，應該加強對燒蝕機理和模型的認識，這樣才能選擇適合的理論和模型，指導熱防護設計。 1.3絕熱材料燒蝕研究進展 燒蝕問題非常復雜，但在固體發動機熱防護中又非常重要。下面將從燒蝕實驗方法與裝置、燒蝕特性與機理以及燒蝕模型三個方面，對國內外絕熱材料燒蝕方面的研究進展進行綜述，并對未來發展進行展望。除了固體發動機外，飛行器氣動熱防護、火箭發射裝置等也存在燒蝕與建模的問題，這些與固體發動機絕熱材料燒蝕有相近之處，所以在綜述中也會介紹一些有代表性的研究成果。 1.3.1燒蝕實驗方法與裝置 1.模擬燒蝕發動機 目前燒蝕性能測試*常用的方法是氧乙炔燒蝕試驗方法，它是利用氧氣和乙炔燃燒產生高溫燃氣，在常壓下對絕熱材料進行燒蝕。我國的國軍標GJB323A1996規定了氧乙炔燒蝕試驗方法的測試條件。該方法具有建造和實驗費用低、操作簡單、安全性好等優點。但是氧乙炔燒蝕法很難體現固體發動機的高壓和燃氣組分狀態，更無法模擬過載和粒子沖蝕等特殊燒蝕環境，因此氧乙炔燒蝕法通常只適合絕熱材料燒蝕性能的初步篩選。 為了更加真實地模擬固體發動機燒蝕環境，何國強、王書賢等[1，2]參考了美國軍標，設計了一種燒蝕實驗發動機。該燒蝕實驗發動機采用真實固體推進劑，包含低速段、變速段和高速段，每段均可同時放置多片絕熱材料試件，可以用來考核和篩選絕熱材料，還可以用來研究氣流速度等參數對絕熱材料燒蝕性能的影響。 飛行過載條件下，由于加速度造成的氧化鋁粒子偏轉、聚集效應，會在燃燒室內形成稠密粒子射流，使絕熱材料的燒蝕率增大，嚴重時會導致發動機爆炸。發動機地面旋轉實驗是一種很有效的模擬過載的實驗方法，但是該方法很難克服科里奧利加速度（科氏加速度）的影響。此外旋轉實驗作為一種綜合測試方法，費用較高，用于絕熱材料篩選和燒蝕性能測試并不適合。 針對過載和稠密兩相流沖刷條件下絕熱材料燒蝕實驗的需求，李江等[3，4]發展了一種過載模擬燒蝕實驗方法。該方法有別于傳統的旋轉實驗，能夠克服科氏加速度的影響，便于開展燒蝕規律研究。過載模擬燒蝕發動機通過收斂通道產生的聚集效應，使燃氣中的氧化鋁粒子聚集，形成稠密粒子射流，來模擬飛行過載條件下固體發動機內的粒子聚集狀態。通過更換不同直徑的調節環和不同角度的燒蝕實驗段，可獲得不同的粒子沖刷狀態（粒子濃度、速度和角度）。李江等[5，6]采用該裝置開展了一系列的燒蝕實驗研究，為揭示過載和稠密粒子沖刷條件的燒蝕機理提供了有效的實驗方法。 2.燒蝕動態測試方法 發動機工作條件下絕熱層的燒蝕在時間和空間上并非均勻的，在過載、稠密粒子侵蝕和熔渣沉積等條件下表現得尤為明顯，因此發展燒蝕過程的動態測試方法，對于深入揭示燒蝕機理具有重要的意義。在這方面國內外學者開展了很多嘗試，發展了一些燒蝕動態測試方法，主要包括基于X射線實時熒屏分析技術（real time X ray radiography， RTR）的測試方法、燒蝕電位計法和預埋熱電偶陣列等。 王希亮[7]基于RTR技術，在過載模擬燒蝕發動機基礎上，研發了一種絕熱材料動態燒蝕過程實驗裝置（圖1.2），首次捕獲了稠密粒子侵蝕條件下的絕熱材料動態燒蝕過程的圖像，觀察到了侵蝕凹坑形成過程（圖1.3），通過圖像處理得到了燒蝕率隨時間的變化規律。 Martin[8]基于RTR系統發展了一套模擬發動機環境的燒蝕實驗裝置（圖1.4），捕捉到了固體發動機內絕熱材料動態燒蝕的精細圖像。從拍攝的RTR圖像（圖1.5）中觀察到丁腈絕熱材料炭化層的整體剝落現象，而且還發現了三元乙丙絕熱材料炭化層中存在高密度和低密度區。 McWhorter等[9]設計了一種燒蝕電位計（圖1.6），可以實時跟蹤絕熱材料表面的推移。他們還使用內置熱電偶對航天飛機可重復使用固體火箭助推器后封頭內絕熱層的燒蝕進行了實時測量[10]（圖1.7）。Natali等[11]也采取在材料內部預埋熱電偶的方法研究了絕熱材料的燒蝕過程。孫翔宇等[12]建立了一種開放環境下絕熱材料燒蝕表面的實時監測方法，用光學成像方法實時記錄絕熱材料表面燒蝕形貌變化和燒蝕面退移過程。 基于RTR的動態燒蝕方法可以很直觀地觀察燒蝕過程，而且無需在絕熱層內預埋器件，但是需要有RTR這樣的大型設備。燒蝕電位計和熱電偶陣列無需大型設備，容易實現，但是需要在絕熱材料中預埋器件，測點位置、測試數據與
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