固体火箭发动机设计：喷管热交换与热防护技术探究

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：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。

1.喷管的热交换

燃气对喷管的热交换与燃气对燃烧室的热交换相同，是通过对流热交换、辐射热交换和颗粒接触传热等方式进行的。

管壁的热流密度为

式中，

对流热交换系数αc可利用燃烧室对流换热系数计算式来计算。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。

在超音速的扩张段，对流热交换是主要的。在收敛段，除对流热交换外，后面两种热交换也是很大的。在采用含金属的推进剂情况下，由于燃气中有颗粒，辐射热交换可达总容量的25%～50%。颗粒碰撞和沉积对管壁的接触传热也是相当大的，因为当氧化铝液滴和燃烧着的铝液滴与管壁碰撞和沉积时，液滴本身的热量和燃烧生成的热量也直接传给了管壁。因此，收敛段管壁受热十分严重，同时又有高速燃气流的冲刷作用，使喷管的收敛段造成严重的烧蚀。

由式（4-18）可知，对流热交换系数αc与通道直径dt的1.8次方成正比，喷管喉部直径最小，αc最大，因此，对流热流密度qc最大，喉部温度最高。如果喉部无热防护，烧蚀将是严重的。喉部尺寸因烧蚀而增大时，除引起压强、推力曲线变化外，还将引起膨胀比减小，使喷管效率降低和引起推力偏心。因此，工作时间稍长的发动机的喉部皆应采用耐热性能好的材料制造。

应该指出：(https://www.chuimin.cn)

（1）小直径喷管，在燃气和喷管材料等的物理特性相同的条件下，其对流热交换系数大，烧蚀大，且烧蚀面积占整个喷喉面积比例也大，因此，小直径喷管热防护问题比大直径喷管重要。

（2）对流热交换系数αc与燃气流量˙m的0.8次方成正比，因此，推力越大的发动机燃气流量越大，烧蚀也越严重。

（3）喷管单位面积上所受热量，因此，工作时间越长，烧蚀越严重，这是显而易见的。

2.喷管的热防护

由上述可知，喷管喉部受热最严重，温度最高。为保持喉部尺寸，需用既耐高温又耐烧蚀的材料制造。

喉部上下游、收敛段下游及扩张段上游受热较严重，有较高的温度，且有高速气流冲刷，造成严重的烧蚀。为保持型面，需用耐烧蚀的材料制造。

扩张段的下游受热较轻，可用一般耐烧蚀材料。

由于耐烧蚀材料通常较贵，且耐热性好的材料价格更贵，所以应分段采用不同的材料。同时，热防护层除要耐热外，还要求它有绝热作用，为此，热防护层常有两层：上层为耐烧蚀层，下层为绝热层。因此，复合喷管多为多段多层结构，如图4.9所示。然而，段、层数增多，制造也复杂，可靠性差，所以，既要从热防护需要考虑，又要从经济性、可靠性考虑，尽量减少段、层数。例如，一些耐烧蚀材料又具有热导系数低的特性，则耐烧蚀层就可以兼作绝热层。

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图4.9　复合喷管分段与分层

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