有颗粒的辐射热交换系数αr和颗粒接触传热热交换系数αp，目前尚难以准确计算。......
2023-08-02
固体火箭发动机设计：铸装式燃烧室壳体的优化热防护
【摘要】：铸装式发动机燃烧室壳体的封头和筒体也需要用绝热层来防护，为了与防气动加热的外绝热层相区别，这种绝热层又称为内绝热层。显然，燃烧室末端热流密度量大，且暴露时间也最长，因此绝热层也应最厚。绝热层的烧蚀速率与各部位的热流密度有关，随热流密度的增大而增大。应该指出，完成这类发动机的燃烧室壳体热防护层的初步设计后，还要对绝热层进行受热计算和强度分析，并要进行点火试验，才能最后完成燃烧室壳体热防护设计。
铸装式发动机燃烧室壳体的封头和筒体也需要用绝热层来防护，为了与防气动加热的外绝热层相区别，这种绝热层又称为内绝热层。
1.绝热层材料
绝热层通常采用消融材料制成。它们是以石棉、二氧化硅等作填料，以丁腈橡胶（NBR）、丁苯橡胶（SBR）、三元乙丙橡胶（EPDM）和硅酮橡胶等作基体的热固弹性材料。其中三元乙丙橡胶是一种新型轻质（ρ=0.94×103kg/m3）的绝热层材料。
绝热层可用手工贴片法粘贴在壳体的内腔壁面上（对于纤维缠绕壳体，首先贴在缠绕芯模上，然后缠绕壳体）。采用贴片法时，应注意接续位置的安排，一般要顺着气流方向斜面搭接，接缝还要用密封剂密封。也可以采用厚浆浇注法或涂抹法制造绝热层。
对于绝热层材料的基本要求是：
（1）绝热性能好。如材料的导热系数要低，熔化热、蒸发热要大，要有吸热的热解反应。
（2）力学性能好。如材料的弹性模量要低，延伸率要高和抗张强度要大。
（3）与推进剂的相容性好。例如，丁腈橡胶（NBR）绝热层材料常用在复合推进剂的发动机中，丁苯橡胶作绝热材料多用在双基推进剂发动机中。
（4）与壳体的粘结性好。
（5）材料密度小。
（6）材料的工艺性好和成本低。
2.绝热层厚度
由于这些绝热层材料是消融材料，在高温燃气作用下，绝热层表面不断退缩（烧蚀），并在绝热层内形成三个区域：炭化层、分解层和原始材料层。
在分解层内，绝热材料发生相变和热解反应，热解气体通过炭化层在表面与附面层内气体发生反应。
炭化层是热解反应后剩下的炭和残余物，它与附面层内气体亦发生反应，且因有燃气的冲刷作用，使其表面不断退缩。炭化层内有热解气体，可降低炭化层的导热系数，且炽热的炭化层表面又有热辐射作用，因而使炭化层具有良好的绝热性能。
燃烧室壳体各部位的绝热层厚度应有不同。每一部位的绝热层厚度与绝热层的材料、该部位在燃气中暴露的时间和热流密度有关。显然，燃烧室末端热流密度量大，且暴露时间也最长，因此绝热层也应最厚。绝热层厚度可从封头向筒体方向逐渐减薄。
下面简述绝热层厚度的计算方法。设某部位在燃气中暴露的时间为t，则在暴露时间内烧蚀的绝热层厚度为
为保证燃烧末期有良好的绝热作用，应留有一定的余量，一般可取它为烧蚀厚度δb的0.25～0.5倍。于是，绝热层厚度为
式中 rb——绝热层的烧蚀速率。
绝热层的烧蚀速率与各部位的热流密度有关，随热流密度的增大而增大。烧蚀速率要通过试验来测定，图3.36是试验绝热层材料烧蚀特性的试验装置。
图3.36 绝热材料试验装置
若试验条件与发动机的实际工作条件不一致时，可以利用如下关系来换算：
式中 rb0——试验条件下的烧蚀速率；
rb——发动机工作条件下的烧蚀速率；
p0、d0和
分别是试验条件下的压强、通道直径和燃气质量流量；p、d和˙m是发动机的工作压强、通道直径和燃气质量流量。
应该指出，完成这类发动机的燃烧室壳体热防护层的初步设计后，还要对绝热层进行受热计算和强度分析，并要进行点火试验，才能最后完成燃烧室壳体热防护设计。
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2023-08-02
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