炭/酚醛燃?xì)舛鏌g性能

薛海峰，陳 雄，鄭 健，周長省

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

燃?xì)舛媸腔鸺龑?dǎo)彈經(jīng)常采用的推力矢量控制技術(shù)之一，且燃?xì)舛婵刂萍夹g(shù)具有控制導(dǎo)彈的方位角定向范圍大、響應(yīng)速度快、彈道最高點(diǎn)低且能進(jìn)行多通道控制等優(yōu)點(diǎn)。近年來，許多國家的導(dǎo)彈均開始采用這種推力矢量控制技術(shù)[1]。從早期的液體火箭導(dǎo)彈采用高強(qiáng)度石墨燃?xì)舛娴胶髞碛糜诠腆w火箭發(fā)動機(jī)上的鎢鉬合金燃?xì)舛?，現(xiàn)代燃?xì)舛婊静捎面u滲銅作為制作材料。在文獻(xiàn)[2]中鎢滲銅燃?xì)舛嬖诎l(fā)動機(jī)工作小于60 s時，面燒蝕率不超過12%。作為現(xiàn)代制造燃?xì)舛娴闹髁鞑牧?，盡管鎢滲銅材料的線燒蝕速率較低，但其密度大、質(zhì)量高；在較高的消極質(zhì)量影響下，降低了彈箭系統(tǒng)的有效射程。對低成本野戰(zhàn)制導(dǎo)火箭的燃?xì)舛嫱屏κ噶靠刂葡到y(tǒng)而言，在發(fā)射初始段的較短工作時間內(nèi)擁有良好抗燒蝕和耐沖刷的前提下，燃?xì)舛娴妮p量化、低成本將成為一個重要的發(fā)展方向。炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一類優(yōu)秀的高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料，早期應(yīng)用于彈道導(dǎo)彈頭錐、宇宙飛船返回艙和火箭發(fā)動機(jī)噴管內(nèi)襯等部件上。炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的抗燒蝕和耐沖刷性能，且尺寸穩(wěn)定性好、密度低(約為鎢銅材料的1/10)，應(yīng)用到燃?xì)舛嫔夏苡行Ы档腿細(xì)舛娴闹亓?。德國宇航院早?001年將C/SiC復(fù)合材料用于燃?xì)舛鎇3]，并加工制作了試驗(yàn)樣機(jī)；印度在2011年～2014年同樣加工制作了C/SiC復(fù)合材料燃?xì)舛娌⑦M(jìn)行了火箭發(fā)動機(jī)地面燒蝕試驗(yàn)[4-5]；中國的西北工業(yè)大學(xué)也針對穿刺工藝的C/C復(fù)合材料加工制成的楔形塊進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)地面靜止試驗(yàn)[6]。炭/酚醛作為一種典型的炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有良好的抗燒蝕性能，常用于噴管受燒蝕、沖刷比較嚴(yán)重的部位；且較上述C/C和C/SiC復(fù)合材料而言，炭/酚醛材料有成本低易加工的優(yōu)勢。

本研究將炭/酚醛燃?xì)舛鎽?yīng)用于工作時間較短的固體火箭發(fā)動機(jī)上，利用三維掃描儀獲取燒蝕試驗(yàn)前后舵面形貌，對燒蝕形貌進(jìn)行全面研究。從炭/酚醛材料工作過程中熱解炭化以及剝蝕的特有屬性角度對燒蝕結(jié)果進(jìn)行分析討論。這對炭/酚醛燃?xì)舛娴膫鳠釤g問題有著重要的意義，并能對燃?xì)舛嬗行Чぷ鲿r間做出合理的預(yù)測。

1 試驗(yàn)

1.1 炭/酚醛燃?xì)舛嬖O(shè)計與制備

燃?xì)舛娑婷嬖O(shè)計要素見參考文獻(xiàn)[1]。本研究選用梯形舵面、六邊形翼形炭/酚醛燃?xì)舛?，為提高前后緣的耐燒蝕和氣動特性，對前后緣進(jìn)行圓弧化處理，選用外置式安裝方式。舵面主要技術(shù)參數(shù)為：前緣后掠角25°，后緣前掠角5°，舵根弦長80 mm，展長50 mm；翼形選用考慮本研究的試驗(yàn)性質(zhì)，舵根部厚度設(shè)計留有較高裕度，翼形的相對厚度為0.187 5。

試驗(yàn)原材料為炭/酚醛復(fù)合材料，纖維采用聚丙烯腈(PAN)基T300、3K炭纖維，炭纖維平均直徑為7 μm；基體材料為酚醛樹脂，酚醛樹脂體積分?jǐn)?shù)為0.6。圖1為安裝于舵片固定座的炭/酚醛燃?xì)舛嬲掌?，舵偏角?0°。

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

地面燒蝕試驗(yàn)的主要目的是考核炭/酚醛燃?xì)舛嬖诠腆w火箭發(fā)動機(jī)射流環(huán)境下的耐燒蝕能力，并利用相關(guān)的測試系統(tǒng)獲取燃?xì)舛嬖诠ぷ鬟^程中由于舵面燒蝕現(xiàn)象對工作性能的影響。

燃?xì)舛娴孛鏌g試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括了火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架、固體火箭發(fā)動機(jī)、燃?xì)舛婀潭ㄗ驮囼?yàn)對象炭/酚醛燃?xì)舛?，如圖2所示。

在地面燒蝕試驗(yàn)之前對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了內(nèi)彈道測試，圖3為發(fā)動機(jī)工作過程內(nèi)彈道曲線。發(fā)動機(jī)工作平均壓強(qiáng)約為8 MPa，因?yàn)橛谐跏級毫Ψ宓拇嬖?，工作初期發(fā)動機(jī)總壓最高值為9.1 MPa；平均推力約為5 kN。

根據(jù)發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道參數(shù)和理論計算結(jié)果得到噴管出口平面流動基本參數(shù)：靜壓120 715 Pa，靜溫1245.33 K，馬赫數(shù)3.22[7]。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果后處理

典型的熱防護(hù)材料燒蝕厚度測量方法基本為接觸式測量[8]。在對一些特殊材料，如硅橡膠之類具有彈性或易變形材料，該方法的厚度測量有較大誤差。

燃?xì)舛婷鏌g率測量的傳統(tǒng)方法主要是通過在坐標(biāo)紙上臨摹出燒蝕前后舵體側(cè)面形貌，得到燒蝕前后舵體側(cè)面面積，從而估算出面燒蝕率[9]。該方法因測量過程中人為誤差較大，且在細(xì)觀的表面燒蝕量尤其是不同舵偏角引發(fā)的燒蝕量的不一致性難以體現(xiàn)。

為得到炭/酚醛燃?xì)舛嬖诠ぷ鹘Y(jié)束后的燒蝕量云圖，本研究采用光柵式三維掃描儀獲取炭/酚醛燃?xì)舛嬖跓g前后舵面形貌的三坐標(biāo)點(diǎn)云，并對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)處理，最終得到舵面燒蝕結(jié)構(gòu)云圖[10-11]。圖4為光柵式三維掃描儀對燒蝕前燃?xì)舛孢M(jìn)行掃描的現(xiàn)場照片。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為本文所用到的燃?xì)舛孀鴺?biāo)系統(tǒng)以及選擇的剖面說明，圖5中坐標(biāo)系為燃?xì)舛娑婷娈?dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)原點(diǎn)位于舵面根部前緣處，x軸正方向指向燃?xì)饬鲃臃较?，y軸正方向指向舵梢。A-A截面為過噴管軸線平面所截取的燃?xì)舛娼孛?，距舵根高?8.5 mm。

將燃?xì)舛鎻那熬壷梁缶壏殖?個區(qū)域：I區(qū)～V區(qū)。以某個截面為例，圖6為燃?xì)舛娑婷娣謪^(qū)及相關(guān)術(shù)語示意。

2.1 表觀燒蝕形貌

圖7為不同舵偏角炭/酚醛燃?xì)舛嬖诘孛鏌g試驗(yàn)結(jié)束后背風(fēng)面(左)和迎風(fēng)面(右)的表觀形貌。作為對比，圖7(f)為燒蝕前的原始表觀形貌。

圖7(a)～(e)中，無論燃?xì)舛孀藨B(tài)如何，前緣燒蝕退移量為全舵面最高，且舵面I區(qū)燒蝕殆盡。舵面前緣燒蝕形貌呈現(xiàn)了鋸齒狀，且舵面前緣局部區(qū)域還出現(xiàn)了較高的凸起。這主要是由于炭/酚醛材料的制作工藝以及炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的各向異性導(dǎo)致了這樣的燒蝕結(jié)果。

當(dāng)舵偏角為0°時，除去燒蝕殆盡的I區(qū)，舵體側(cè)面II區(qū)燒蝕較為嚴(yán)重，III區(qū)也表現(xiàn)出來一定的燒蝕現(xiàn)象，而在IV區(qū)表面燒蝕現(xiàn)象較為微弱。當(dāng)燃?xì)舛姘l(fā)生偏轉(zhuǎn)后，從圖7(b)～(e)可發(fā)現(xiàn)，在燃?xì)舛嬗L(fēng)面出現(xiàn)了由于燒蝕導(dǎo)致的“溝壑”狀形貌，這主要是由于酚醛樹脂炭化后的殘?zhí)蓟w與炭纖維熱化學(xué)燒蝕速率不一致，以及與舵面附著力不同所導(dǎo)致的兩者剝落速度不同而形成的[12]；且“溝壑”形貌的分布面積隨著舵偏角的增大逐漸增加。在背風(fēng)面，由于機(jī)械剝蝕作用非常微弱，而熱化學(xué)燒蝕作用對該形貌的形成貢獻(xiàn)較小；故而，在背風(fēng)面表觀幾乎不存在“溝壑”狀形貌。

2.2 微觀燒蝕形貌

以15°舵偏角工況下炭/酚醛燃?xì)舛鏋槔?，圖8(c)～(h)分別為燃?xì)舛媲熬?、迎風(fēng)面和背風(fēng)面在火箭燃?xì)馍淞鳝h(huán)境下工作結(jié)束后用掃描電鏡觀察得到的1000倍和200倍放大后的微觀形貌；作為對比，圖8(a)和圖8(b)為原始材料表面同倍率微觀形貌。

本文研究的燃?xì)舛嫱ㄟ^對原始炭/酚醛復(fù)合材料塊進(jìn)行數(shù)控加工制作得到。在圖8(a)和圖8(b)原始材料表面微觀形貌可發(fā)現(xiàn)炭纖維簇和酚醛樹脂緊密貼合，炭纖維和酚醛樹脂界面結(jié)合狀態(tài)良好；由于材料制作工藝和機(jī)械加工的影響，材料表面存在一些微小裂痕和加工斷裂的短纖維，且纖維斷面呈現(xiàn)明顯的機(jī)械破裂形貌。

在圖8(c)前緣微觀形貌中可發(fā)現(xiàn)，酚醛樹脂由于高溫?zé)峤鈿怏w逸出導(dǎo)致一定氣孔的出現(xiàn)，但孔徑較??；在樹脂表面有較為光滑的斷面，推測是由于燃?xì)馍淞鲝?qiáng)大的氣流剪切力導(dǎo)致樹脂脫落。圖8(d)為前緣同樣位置處小倍率微觀形貌，發(fā)現(xiàn)該處為“溝壑”形貌的谷底。谷底的形成是由于該處纖維走向與流動方向平行度較高，更容易導(dǎo)致剝蝕；谷底兩側(cè)纖維走向近乎于垂直于流動方向，且纖維簇較為密集，不易剝蝕。在圖8(e)和(f)迎風(fēng)面微觀形貌中，酚醛樹脂同樣由于熱解氣體逸出導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn)，且孔徑比前緣位置處孔徑大很多；在樹脂表面同樣有材料剝蝕斷面。

文獻(xiàn)[13-14]指出炭化燒蝕材料從燒蝕表面到內(nèi)部呈現(xiàn)“致密-疏松”結(jié)構(gòu)，結(jié)合對比圖8(c)和圖8(e)熱解氣孔的大小及兩個采樣點(diǎn)在燃?xì)舛娴墓ぷ魑恢每剂?。在燃?xì)舛媲熬壩恢锰帲瑲埩舻臉渲瑪嗝嫔蠚饪纵^小，且燃?xì)舛媲熬壩恢檬艿桨l(fā)動機(jī)高溫高速燃?xì)獾拇怪睕_刷；可推測，這種相對致密的多孔結(jié)構(gòu)斷面是由于氣動剝蝕嚴(yán)重而位于熱解層，這意味著已經(jīng)形成熱解孔洞的熱解層因該處強(qiáng)大的氣流剪切力部分脫落。在迎風(fēng)面位置，熱解氣孔孔徑較大，且沖刷燃?xì)馑俣确较蚺c舵面存在一定夾角，沖刷作用相對迎風(fēng)面要弱很多；可推測，此處相對“疏松”結(jié)構(gòu)是位于炭化層中，表面的“致密”炭化層由于氣動剝蝕作用而部分脫落。

在圖8(g)和圖8(h)背風(fēng)面微觀形貌中，材料表面基本保持原始形貌，纖維與樹脂界面仍保持較好貼合形貌，樹脂表面有較小熱解氣孔，且比前緣位置處孔徑小。這說明在背風(fēng)面的氣動剝蝕情況基本不存在，僅僅因高溫導(dǎo)致舵面材料熱解；由于發(fā)動機(jī)工作時間較短，背風(fēng)面材料表面甚至并未完全炭化。

2.3 燒蝕三維數(shù)字形貌

圖9為炭/酚醛燃?xì)舛姹砻鏌g量云圖，圖中虛線為舵面原始形貌側(cè)面輪廓。燃?xì)舛嬖诠ぷ鬟^程中燒蝕量最大區(qū)域?yàn)槎婷媲熬墸浯螢橛L(fēng)面，且在圖7中可發(fā)現(xiàn)在燃?xì)舛姹筹L(fēng)面基本不存在燒蝕現(xiàn)象，故而圖9中僅給出舵面迎風(fēng)面和前緣位置處的燒蝕量云圖。

由圖9可見，在炭/酚醛燃?xì)舛媲熬墴g量最大，最大值約為(8.0±0.3 )mm，不同的舵偏角下最大燒蝕量略有不同。舵面前緣燒蝕形貌在側(cè)面的投影與原始形貌對比，并結(jié)合俯視投影中在舵面前緣燒蝕量云圖可發(fā)現(xiàn)，在不考慮鋸齒狀形貌時，舵面前緣燒蝕形貌在側(cè)面投影基本呈現(xiàn)為一條直線，在根部燒蝕量要略小于梢部；這主要是由于舵面在梢部厚度要小于舵根部，另外舵面根部與護(hù)板相連，無形中增加了該位置處的耐燒蝕性能。簡言之，舵面前緣由于燒蝕導(dǎo)致的形貌基本呈現(xiàn)了線性退移規(guī)律，舵面根部的燒蝕量略小。

從燒蝕量云圖的俯視圖中可發(fā)現(xiàn)，無論燃?xì)舛嫫墙嵌热绾?，舵梢平面的燒蝕量控制在0.2 mm之內(nèi)。主要是由于該平面位于噴管軸線附近，而在該位置，舵梢平面與燃?xì)馍淞鞣较蚱叫?，致使燒蝕量非常小。

在燒蝕量云圖中主視圖中，當(dāng)燃?xì)舛娑嫫菫?°時，從舵體前緣燒蝕面往后的側(cè)面燒蝕量均控制在0.2 mm之內(nèi)，約為前緣燒蝕量的1/35。這同樣是由于在舵偏角為0°時，燃?xì)馍淞髟谕ㄟ^舵體側(cè)面時，流速與當(dāng)?shù)囟婷婊酒叫?，火箭燃?xì)獾膭兾g效應(yīng)基本不存在。當(dāng)燃?xì)舛娉霈F(xiàn)偏轉(zhuǎn)后，舵面迎風(fēng)面由于當(dāng)?shù)囟婷媸艿饺細(xì)獾臎_刷加劇，開始出現(xiàn)較為明顯的燒蝕現(xiàn)象，且上游燒蝕量要高于下游。總體而言，炭/酚醛燃?xì)舛媲熬墴g最為嚴(yán)重，迎風(fēng)面次之；在20°舵偏角工況下，前緣燒蝕量仍能達(dá)到迎風(fēng)面燒蝕量的10倍左右。背風(fēng)面和后緣僅僅存在由于高溫引發(fā)的微弱的熱解以及熱化學(xué)燒蝕現(xiàn)象。

根據(jù)燒蝕后掃描得到的三維數(shù)值形貌計算得到不同舵偏角下炭/酚醛燃?xì)舛娴拿鏌g率見表1。

表1 不同舵偏角工況下炭/酚醛燃?xì)舛婷鏌g率

在工作時間結(jié)束后，炭/酚醛燃?xì)舛娴拿鏌g率在10%左右，滿足短時間工作燃?xì)舛婷鏌g率最高30%的要求[1]。從不同舵偏角而言，0°舵偏角工況下的面燒蝕率最高達(dá)到了11.69%。究其原因在于0°舵偏角時氣流正對舵片前緣沖擊且射流沖擊能量完全由前緣所吸收，故而面燒蝕率較高。而燃?xì)舛姘l(fā)生偏轉(zhuǎn)后，盡管在流動滯止點(diǎn)處的溫度壓力等參數(shù)基本一致，但是承載面增大，使得燒蝕相對減緩。但同樣是由于材料的不一致性，5°～20°舵偏角工況下的面燒蝕率并無規(guī)律性可言。從試驗(yàn)結(jié)果可推測，若按照20%面燒蝕閾值判定，本文所設(shè)計加工的燃?xì)舛嬖谠摪l(fā)動機(jī)上可用工作時間可達(dá)到1.5 s左右。

3 舵面燒蝕對工作性能的影響分析

圖10為不同舵偏角炭/酚醛燃?xì)舛嬖跓g后舵面前緣和迎風(fēng)面壓力分布云圖，為同時顯示前緣和迎風(fēng)面壓力，圖中舵面繞y軸旋轉(zhuǎn)了45°。由于熱化學(xué)燒蝕和剝蝕的作用，燃?xì)舛娑婷娉霈F(xiàn)了較為明顯的不規(guī)則形貌，這導(dǎo)致了舵面壓力分布不均。尤其在前緣燒蝕嚴(yán)重區(qū)域，局部較大凹坑內(nèi)的壓力驟增，凹坑內(nèi)滯止以及渦流會導(dǎo)致該處的溫度升高，加速燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生。在迎風(fēng)面，同樣由于II區(qū)和III區(qū)前半部分的燒蝕導(dǎo)致壓力分布不均，但是要比前緣輕微很多；這也意味著迎風(fēng)面的“溝壑”形貌對近壁面的流動產(chǎn)生了細(xì)微擾動，進(jìn)而對舵面的換熱過程產(chǎn)生影響。

圖11為燒蝕后A-A截面馬赫數(shù)云圖。盡管舵面燒蝕影響了自身的繞流流動；但由于噴管出口流速為超聲速，燃?xì)舛娴臒g變形對噴管流動并不存在影響。

表2為不同舵偏角炭/酚醛燃?xì)舛鏌g前后氣動力數(shù)值仿真結(jié)果。從表2中可發(fā)現(xiàn)，燒蝕過后的舵面升力和阻力均有所下降。相同舵偏角燃?xì)舛娴纳璞然颈３忠恢?，甚?°、10°和15°舵偏角情況還由于燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生而略有上升，這從減少阻力的角度來講是有益的；但作為控制需求，核心參數(shù)為燃?xì)舛娴闹缕?，那么有可能在燒蝕達(dá)到一定程度之后控制失效，即對于燃?xì)舛娑源嬖谝粋€面燒蝕率失效閾值。

表2 炭/酚醛燃?xì)舛鏌g前后氣動參數(shù)

燃?xì)舛娑婷嬖跓g之前氣動壓心在x方向隨著舵偏角的增大有一個漸變的增長，增長率約為0.084～0.116 mm/(°)，氣動壓心在y方向基本保持不變；這對舵機(jī)系統(tǒng)輸出力矩來講是一個預(yù)知并可控的參數(shù)。

由于制作燃?xì)舛娌牧吓蔚囊约肮に嚥罹嗍沟脤δ骋粋€特定燃?xì)舛娑?，在燒蝕發(fā)生之前，燃?xì)舛娑婷婢唧w燒蝕量是未知的，只能得到一個宏觀的預(yù)測值。這直接導(dǎo)致氣動壓心在x方向發(fā)生后移的量出現(xiàn)了一定的不可預(yù)知性。這在表2中燒蝕后舵面氣動壓心在x方向坐標(biāo)的無規(guī)律性分布有所表現(xiàn)。最終體現(xiàn)在對控制系統(tǒng)而言，就是控制力矩的變化存在一定范圍的不可控，這要求設(shè)計中需要注意在控制力矩上留有一定的設(shè)計裕度。

4 結(jié)論

在對炭/酚醛燃?xì)舛鏌g后的表觀形貌和微觀形貌的定性分析以及利用三維掃描技術(shù)對燒蝕前后舵面精細(xì)化測量對比的定量分析后，得到如下結(jié)論：

(1)炭/酚醛燃?xì)舛娑婷娴臒g過程是在機(jī)械剝蝕和熱化學(xué)燒蝕的綜合作用下產(chǎn)生的，且機(jī)械剝蝕占有主導(dǎo)地位。

(2)由于采用燃?xì)舛婕庸ぶ圃旃に囈约安牧蟽?nèi)部力學(xué)性能的各向異性，炭/酚醛燃?xì)舛嬖跓g面存在較高的粗糙度，且在前緣產(chǎn)生了鋸齒狀的燒蝕形貌。如果某些部位有更為嚴(yán)重的缺陷會產(chǎn)生更大的燒蝕量。局部位置的燒蝕坑會加速燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)在燃?xì)舛媲熬?，由于高溫高速燃?xì)獾拇怪睕_刷，剝蝕斷面位于熱解層；在前緣，由于沖刷燃?xì)馑俣确较蚺c舵面存在一定夾角，剝蝕斷面位于炭化層；而背風(fēng)面氣動剝蝕情況基本不存在，僅僅因高溫導(dǎo)致舵面材料熱解。

(4)由于受到燃?xì)馍淞鹘跤诖怪狈较虻臎_刷，燃?xì)舛娑婷媲熬壍臒g量最大，達(dá)到了(8±0.3)mm。在舵體側(cè)面，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，舵體兩側(cè)燒蝕量約為0.2 mm，且燒蝕量沿著軸線方向逐漸降低。當(dāng)燃?xì)舛姘l(fā)生偏轉(zhuǎn)后，迎風(fēng)面的燒蝕量隨著舵偏角的增大逐漸增大，在20°偏角狀態(tài)下，迎風(fēng)面的燒蝕量達(dá)到了0.8～1 mm，該量值仍然遠(yuǎn)小于舵面前緣的燒蝕量；在背風(fēng)面幾乎沒有發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，僅僅存在由于高溫導(dǎo)致的熱化學(xué)燒蝕以及酚醛樹脂熱解引發(fā)的舵面細(xì)微孔洞現(xiàn)象。

(5)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可預(yù)測炭/酚醛燃?xì)舛嬖?.5 s左右的工作時間內(nèi)能夠滿足20%～30%舵面面燒蝕率要求，可嘗試應(yīng)用于簡易制導(dǎo)火箭武器彈道初期的推力矢量控制系統(tǒng)，達(dá)成減輕系統(tǒng)消極質(zhì)量和降低成本的目的。

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