边界层控制方法降低喷管喉衬烧蚀综述

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1、固体火箭技术边界层控制方法降低喷管喉衬烧蚀综述陈林泉1，王立武1，刘勇琼2，郑凯斌1，吴秋1（1.中国航天科技集团公司第四研究院第四十一研究所，西安710025）（2.西安航天复合材料研究所，西安710025）摘要：介绍了一种边界层控制方法，阐明了该方法降低喷管喉衬烧蚀的机理，通过降低喷管喉衬的温度和喷管边界层内氧化组分（H2O、CO2和OH）的浓度，从而降低喷管的烧蚀率。从理论研究和试验研究两方面阐述了该方法的国内外研究发展现状。在理论方面，介绍了该方法降低喷管喉衬烧蚀的效果，可以降低喉衬烧蚀率80%以上；

2、在试验方面，介绍了该方法降低喉衬烧蚀的验证性试验研究，可以将喉衬烧蚀率降低到不可测量的程度。最后总结了该方法目前的发展水平，分析了该方法存在的问题及发展趋势。关键词：固体火箭发动机；边界层控制方法；喷管；喉衬烧蚀；中图分类号：文献标识码：文章编号：Researchoverviewofnozzleboundary-layercontrolsystemforthemitigationofnozzlethroaterosionCHENLin-quan1,WANGLi-wu1,LIUYong-qiong2,ZHENG

3、Kai-bin1,WUQiu1(1.The41stInstituteoftheFourthAcademyofCASC,Xi`an710025China)（2.Xi`anAerospaceCompositesMaterialInstitute,Xi`an710025China）Abstract:Anozzleboundary-layercontrolsystemisintroducedtoreducesolidrocketmotornozzleerosion.Thisdesignnotonlyreducesth

4、etemperatureofnozzlethroatsurfacebutalsoreducesthemassfractionsoftheoxidizinggaseousspeciessuchasH2O,CO2andOHinthecombustionproducts,thusreducingthechemicalattackonthenozzlethroatsurface.Thispapergivesanresearchstatusofthismethodathomeandabroadintheoretical

5、andexperimentalaspects.Theeffectivenessofthisdesignformitigatingnozzleerosionisintroducedintheoreticalaspect,whichcanreducenozzleerosionmorethan80%.Inexperimentalaspect,theeffectivenessofthissystemisdemonstrated,thismethodcanachievezeroerosionrate.Researchs

6、tatusofthismethodissummarized,andfutureworkisanalyzed.Keywords:solidrocketmotor;nozzleboundary-layercontrolsystem;nozzle;throaterosion;1固体火箭技术1固体火箭技术0引言喉衬作为固体火箭发动机的关键部件，对发动机的性能有重要影响[1]。C/C复合材料以其高强度、良好的耐烧蚀性能、极高的抗热冲击性能等优点，广泛用作固体火箭发动机的喉衬材料[2-4]。在发动机工作过程中，喉衬内型面

7、受高温、高压、高速且含有侵蚀性粒子的热流冲刷而遭到破坏，引起内型面尺寸变化、喉径扩大，从而降低喷管效率，最终降低了发动机性能。因此，喉衬的烧蚀性能是喷管考核的主要指标。收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金（51376166）作者简介：陈林泉（1966—），男，研究员，研究方向为固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场。E-mail：chenlinquan@sohu.com喷管的烧蚀过程非常复杂，其中各种因素的作用相互影响，包括推进剂组分、发动机工作条件、反应组分的输运、气相和喷管表面的化学反应以及喷管几何

8、形状和材料特性[5]。除了化学烧蚀，还有金属氧化物粒子（如Al2O3）对喷管表面碰撞产生的机械剥离，以及热应力导致的结构破坏[6]。喉衬烧蚀实际上是一个包括传热、传质、传动量和化学反应的复杂物理化学过程[7-8]。研究表明，喷管喉衬烧蚀主要分为热化学烧蚀和机械剥蚀，其中热化学烧蚀起主导作用[2-3,6]，在喷管喉部更是如此[9]7固体火箭技术。为使高性能发动机得以实现，必须对喷管喉衬烧蚀进行深入研究