增面性药型得到渐增的推力和压强曲线；减面性药型得到渐减的推力和压强曲线；恒面性药型则得到等推力和等压强曲线。剩药会造成量损失和不稳定的后效冲量。圆形内孔药柱无应力集中现象，是内燃药柱中强度最好的，因此一些现代发动机多采用圆形内孔药柱。进行药型选择时应尽量选用上述常用药型，但也可以根据特殊要求设计新的药型。根据内弹道特性选择了药型之后，还应该对所选药型的结构完整性和工艺性进行分析，才能最终确定药型。......
2023-08-02
固体火箭发动机设计：选择最佳喉衬材料和耐热层
【摘要】：喉衬应该采用耐热性好的材料制造，它应该有最小的烧蚀率，且能均匀烧蚀。与喉衬相接的喉部上下游采用耐烧蚀性好的石墨或碳/碳复合材料制作耐烧蚀层，以免出现烧蚀台阶，破坏钨喉衬的耐热性。图4.12碳/碳复合材料编织方法及维数碳/碳复合材料的耐烧蚀性和强度随密度增大而提高。
喉衬应该采用耐热性好的材料制造，它应该有最小的烧蚀率，且能均匀烧蚀。
中、小型喷管常采用石墨、热解石墨、三维或多维碳/碳复合材料、钼、钨、钨铜合金和钨银合金等作喉衬。大型喷管常采用碳纤维布/酚醛、石墨纤维布/酚醛和多维碳/碳复合材料等作喉衬。它们大致可分为高熔点金属类、碳基材料类和增强塑料类。
（一）高熔点金属类
用作喉衬的高熔点金属材料有钼、钨及钨银合金和钨铜合金等。
1.钼和钨
钨和钼均为难熔合金（钨熔点为3 410°C，钼熔点为2 615°C），元素周期表中同为
族，化学性质极为相近，钼铜和钨铜应用范围很大一部分重合，两者相差最大的是密度（钨的密度为19.3 g/cm3，钼的密度为10.2 g/cm3）。
钼的熔点比钨低，但价廉，常用作中低燃温推进剂和长时间工作的小型发动机的喉衬。
钨的熔点高，常用作高能推进剂和长时间工作的小型发动机的喉衬。
钨（或钼）喉衬的毛坯可以是挤压或锻造的，也可以采用粉末冶金法经模压烧结而成。后一种方法制造的喉衬密度低，耐烧蚀性不及前者，但加工性好且价廉。
使用钨喉衬时，应注意以下几个问题：
（1）在工作过程中，挤压或锻造的钨喉衬因受热膨胀，模压烧结的钨喉衬又因再烧结作用均引起喉径缩小，从而使压强升高。
（2）需要预留轴向及径向膨胀间隙，以补偿喉衬的轴向、径向膨胀。该间隙以兼作黏结剂和密封剂的低温热解材料（例如环氧密封剂）充填。
（3）一般采用石墨环作钨喉衬的背层，起热沉作用。
（4）与喉衬相接的喉部上下游采用耐烧蚀性好的石墨或碳/碳复合材料制作耐烧蚀层，以免出现烧蚀台阶，破坏钨喉衬的耐热性。
2.钨银合金和钨铜合金
为了进一步提高难熔金属的耐热性，将粉末冶金法制造的难熔金属（钨和钼）的多孔性基体，在高温下渗入具有高熔化热和蒸发热的金属（如银、铜、锌等），作为发汗剂。发汗剂体积占总体积20%左右。发动机工作时，喉衬表面受热，当温度达到发汗剂熔点时，它便开始熔化，并在喉衬表面内形成一层液体薄膜，当温度超过发汗剂材料的气化温度时，发汗剂便蒸发，并带走大量的热，从而降低了喉衬表面的温度。这就是发汗冷却的热防护原理。
钨铜合金综合了金属钨和铜的优点，其中钨熔点高、密度大，铜导电导热性能优越，合金微观组织均匀、耐高温、强度高、耐烧蚀、密度大、膨胀系数低。钨铜合金可用作火箭发动机的喷管、燃气舵、空气舵、鼻锥等，但由于其质量大、价格较贵，应用受到一定限制。
（二）碳基材料类
用作喉衬的碳基材料有多晶石墨、热解石墨和碳/碳复合材料。
1.多晶石墨
它是一种比较便宜的材料。具有烧蚀率低且能均匀烧蚀以及强度随温度升高而明显增加的特性。石墨烧蚀主要是由其表面层与燃气的化学反应而引起的。当温度超过3 650°C时，还会出现表面直接升华而引起的烧蚀。多晶石墨有高强石墨和耐烧蚀性能更好的高强高密石墨。
多晶石墨价廉、密度小，又具有良好的耐热性能，所以被广泛用作各种固体火箭发动机的喉衬，甚至用作全石墨喷管，如图4.10所示。由于多晶石墨的导热系数高和比热大，也常用作喉衬背面的热沉层。
图4.10 石墨喉衬复合喷管
（a）带石墨喉衬的喷管；（b）石墨喉衬
2.热解石墨
它是碳氢化合物气体在高温下裂化而沉积的固态碳。沿沉积基体表面方向（晶体a、b向）结晶成为六角形晶体，沿垂直于基体表面方向（晶体的c向）层状沉积，如图4.11所示。热解石墨除具有多晶石墨的特性外，还表现出很大的各向异性。例如，其导热、导电、导磁和力学特性等，沿a、b向和c向相差悬殊。在晶体a、b向的导热特性可与铜媲美，而晶体c向的绝热特性与氧化锆陶瓷相当，两个方向相差100倍左右。
图4.11 热解石墨的晶体结构
目前定向沉积的厚度一般不超过6～7 mm。厚度过大，沉积时间长，且导热特性降低。因此，一般采用片状多层结构，小型发动机的热解石墨喉衬，内层为片状多层热解石墨喉衬，半径方向为晶体a、b向，有良好的导热性，使喷管内表面温度不致过高；外层为热解石墨套管，半径方向为c向，有良好的绝热性，使壳体不致过热，且能对内层提供良好的支承。
热解石墨具有比多晶石墨更好的耐热性能。因此，它被用作需要耐热性更好的发动机喷管的喉衬。
使用热解石墨（或多晶石墨）喉衬时，应注意以下几个问题：
（1）多晶石墨和热解石墨都有一定的烧蚀率，要考虑它的烧蚀对压强曲线的影响。
（2）多晶石墨和热解石墨导热系数高，喉衬背面皆需有良好的绝热层。
（3）多晶石墨强度较低，而热解石墨是片状多层结构，对这两种喉衬都需要提供良好的支承。
（4）需要预留轴向、径向膨胀间隙。因为，通常轴向是热解石墨晶体的c向，热膨胀系数很大，更需有足够的膨胀间隙。此间隙以低温热解材料制作的密封剂充填。
（5）多晶石墨喉衬在工作初期温度梯度大，热应力可能引起裂纹。为避免裂纹和裂纹扩展，宜做成沿轴向分为几段的环状喉衬。
3.碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是一种新型的热防护材料，第一个碳表示碳增强材料，第二个碳表示碳基体。它是在碳或石墨增强材料结构里再沉积碳或石墨作基体的材料。按增强材料的编织方向分，又有二维（2D）、三维（3D）和多维（4D）碳/碳复合材料（见图4.12）。三维或多维碳/碳复合材料耐烧蚀性优于二维者，多用作喉衬材料；二维碳/碳材料耐烧蚀性与多晶石墨相当，但强度比多晶石墨高，可用作大型喷管喉衬，或代替多晶石墨用作与热解石墨喉衬（或钨喉衬）相连的喉部上下游段的耐烧蚀层。
图4.12 碳/碳复合材料编织方法及维数
碳/碳复合材料的耐烧蚀性和强度随密度增大而提高。低密度的碳/碳复合材料的耐烧蚀性优于碳布/酚醛、石墨布/酚醛，接近于多晶石墨，且高温下有较高的强度，烧蚀速率的散布小；中等密度（1.65～1.85 g/cm3）的碳/碳复合材料的耐烧蚀性优于多晶石墨；高密度（1.85～2.05 g/cm3）多维碳/碳复合材料的耐烧蚀性与热解石墨相当。由于这种材料有很好的耐烧蚀性，再现性好，且可以制成大尺寸部件，是一种很有发展前景的喷管热防护材料。
（三）增强塑料类
这种材料主要用作大型喷管的喉衬。对于中小型喷管，它们主要用作耐烧蚀层的材料。因而在性能和选用上也采取与耐烧蚀层相近的原则。
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2023-08-02
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