固體發(fā)動機絕熱材料燒蝕研究進展

李 江，郭夢飛，劉 洋，何國強

(西北工業(yè)大學航天學院/燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072)

0 引 言

固體發(fā)動機工作時內(nèi)部是高溫高壓環(huán)境(溫度2800～3600 K，壓力3～20 MPa)，發(fā)動機殼體無法承受如此高溫，需要采取必要的熱防護措施。燃燒室一般通過在內(nèi)壁敷設(shè)絕熱材料的方式來進行熱防護，燃燒室采用的絕熱材料大多是以橡膠為基體，添加各種填料和阻燃劑[1]。常用的絕熱材料有丁腈、三元乙丙(Ethylene propylene diene monomer, EPDM)和硅橡膠等類型。目前固體發(fā)動機廣泛使用含鋁推進劑，燃燒后產(chǎn)生大量的Al2O3粒子，發(fā)動機內(nèi)屬于兩相流環(huán)境[2-3]。在高溫兩相流燃氣的作用下，絕熱材料會發(fā)生燒蝕。所謂燒蝕是指高溫作用下材料發(fā)生的損耗或者性質(zhì)退化。對于絕熱材料來說希望其抗燒蝕性能和力學性能好，對于發(fā)動機設(shè)計來說需要準確預(yù)示燒蝕量，這就需要深入研究絕熱材料燒蝕機理，建立燒蝕模型[4]。

絕熱材料的燒蝕包含傳熱、熱分解、熱化學燒蝕、粒子侵蝕和氣流剝蝕等物理化學過程(見圖1)，而且這些過程之間存在非常復(fù)雜的耦合關(guān)系[5]。絕熱材料在燒蝕過程中一般會形成原始層、熱解層和炭化層[6]，其中炭化層是絕熱材料抵御高溫燃氣燒蝕的重要屏障，也是熱化學、侵蝕和剝蝕直接作用的對象，因此炭化層特性是燒蝕機理研究中的重要內(nèi)容，也是燒蝕建模中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

燒蝕問題非常復(fù)雜，但在熱防護中又非常重要。首先，只有深入掌握絕熱材料的燒蝕機理，才能提高絕熱材料的研制水平。傳統(tǒng)的絕熱材料研制，主要依靠經(jīng)驗和半經(jīng)驗的方法。這種方式在繼承型和改進型研制中是很有效的，但對于新型絕熱材料，尤其是包含新機理的情況，這種方式往往效率很低，有時候會付出一定的代價。因此，只有不斷提高對絕熱材料燒蝕規(guī)律和機理的認識，建立更加科學的理論和方法，才能科學有效的指導(dǎo)絕熱材料的研制，實現(xiàn)從經(jīng)驗型向理論指導(dǎo)與經(jīng)驗相結(jié)合的轉(zhuǎn)變，提高研制效率和水平。再者，只有建立科學準確的燒蝕預(yù)示方法，才能提高發(fā)動機的設(shè)計水平，滿足未來先進發(fā)動機研制的需求。而要建立科學準確的燒蝕預(yù)示方法，必須對燒蝕規(guī)律和機理有深刻的認識，建立更加精細化的模型。

本文從燒蝕方法與裝置、燒蝕特性和機理以及燒蝕模型三個方面，對國內(nèi)外絕熱材料燒蝕方面的研究進展進行了綜述，并對未來發(fā)展進行了展望。

除了固體發(fā)動機外，飛行器氣動熱防護[7]、火箭發(fā)射裝置等[8]也存在燒蝕與建模的問題，這些與固體發(fā)動機絕熱材料燒蝕有相近之處，在綜述的時候也適當介紹了一些有代表性的研究成果。

1 燒蝕試驗方法與裝置

1.1 模擬燒蝕發(fā)動機

目前燒蝕性能測試最常用的方法是氧乙炔燒蝕法，它是利用氧氣和乙炔燃燒產(chǎn)生高溫燃氣，在常壓下對絕熱材料進行燒蝕。中國的國軍標GJB——323A-1996規(guī)定了氧乙炔燒蝕的測試條件。該方法具有建造和試驗費用低、操作簡單、安全性好等優(yōu)點。但是氧乙炔燒蝕法很難真實模擬固體發(fā)動機的高壓、燃氣組分以及粒子沖刷等狀態(tài)，對于過載、稠密粒子沖蝕等特殊燒蝕環(huán)境，很難測試出絕熱材料真實的燒蝕性能，因此氧乙炔燒蝕法通常適合絕熱材料燒蝕性能的初步篩選。

為了更加真實地模擬固體發(fā)動機環(huán)境，何國強、王書賢等設(shè)計了一種燒蝕發(fā)動機[9-10]。該燒蝕發(fā)動機采用真實固體推進劑，包含低速段、變速段和高速段，每段均可同時放置多片絕熱材料試件。該發(fā)動機可以用來考核和篩選絕熱材料，還可以用來研究氣流速度等燃燒室環(huán)境參數(shù)對發(fā)動機燒蝕性能的影響。

飛行過載條件下，由于加速度造成的粒子偏轉(zhuǎn)、聚集效應(yīng)，會在燃燒室內(nèi)形成稠密粒子射流，使絕熱材料的燒蝕率增大，嚴重時會導(dǎo)致發(fā)動機爆炸[11]。發(fā)動機地面旋轉(zhuǎn)試驗是一種很有效的模擬過載的試驗方法，但是該方法很難克服科氏加速度的影響，通常會造成沖刷條件嚴酷度偏大的情況。此外旋轉(zhuǎn)試驗作為一種綜合測試方法，費用較高，用于絕熱材料燒蝕性能測試并不適合。

針對過載和稠密兩相流沖刷條件下絕熱材料燒蝕試驗的需求，李江等[12-13]發(fā)展了一種高過載模擬燒蝕試驗方法，如圖2所示。該方法能夠克服科氏加速度的影響，有別于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)試驗，便于開展燒蝕機理研究。該發(fā)動機通過收斂通道產(chǎn)生的聚集效應(yīng)，使燃氣中的Al2O3粒子聚集，形成稠密粒子射流，來模擬飛行過載條件下固體發(fā)動機內(nèi)的粒子聚集狀態(tài)。通過更換不同直徑的調(diào)節(jié)環(huán)和不同角度的燒蝕段，可獲得不同的粒子沖刷狀態(tài)(粒子濃度、速度和角度)。

1.2 燒蝕動態(tài)測試方法

真實的燒蝕過程在時間和空間上并非均勻的過程，在過載、稠密粒子侵蝕和熔渣沉積等條件下表現(xiàn)得尤為明顯，發(fā)展燒蝕過程的動態(tài)測試方法，對于深入揭示燒蝕機理具有重要的意義。在這方面國內(nèi)外學者開展了很多嘗試，發(fā)展很多燒蝕動態(tài)測試方法，主要包括基于X射線實時診斷技術(shù)(X-ray real-time radiography, RTR)的方法、燒蝕電位計、預(yù)埋熱電偶陣列等方法。

王希亮等[14]基于RTR技術(shù)，在過載模擬燒蝕發(fā)動機基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種絕熱材料動態(tài)燒蝕過程試驗裝置(見圖3)，首次捕獲了稠密粒子侵蝕條件下的絕熱材料動態(tài)燒蝕過程的圖像，觀察到了侵蝕凹坑形成過程(見圖4)，通過圖像處理得到了燒蝕率隨時間的變化。

Martin[15]的研究工作也特別值得關(guān)注，他利用RTR技術(shù)捕捉到了固體發(fā)動機內(nèi)絕熱材料動態(tài)燒蝕的精細圖像。圖5為燒蝕過程拍攝的RTR圖像，從圖中可以觀察到丁腈絕熱材料炭化層的整體剝落現(xiàn)象，而且還發(fā)現(xiàn)了EPDM絕熱材料炭化層中存在高密度和低密度區(qū)，給炭化層致密/疏松結(jié)構(gòu)[16]提供了直接的證據(jù)。

McWhorter等[17]設(shè)計了一種燒蝕電位計，可以實時跟蹤絕熱材料表面的推移。他還使用內(nèi)置熱電偶對航天飛機可重復(fù)使用固體火箭助推器后封頭內(nèi)絕熱材料的燒蝕進行了實時測量。Natali等[18]也采取在材料內(nèi)部預(yù)埋熱電偶的方法研究了絕熱材料的燒蝕過程。

孫翔宇等[19]建立了一種敞開環(huán)境下絕熱材料燒蝕表面的實時監(jiān)測方法，用光學技術(shù)實時記錄絕熱材料試樣表面燒蝕形貌和燒蝕面退移過程。

基于RTR的動態(tài)燒蝕方法可以很直觀的觀察燒蝕過程，而且無需預(yù)埋，但是需要有RTR系統(tǒng)。燒蝕電位計和熱電偶陣列無需大型設(shè)備，容易實現(xiàn)，但是需要在絕熱材料中預(yù)埋器件，測點位置、測試數(shù)據(jù)與燒蝕面的關(guān)系往往不易確定。

1.3 富氧燒蝕試驗系統(tǒng)

固體火箭沖壓發(fā)動機補燃室具有富氧、沖刷速度高、工作時間長等特點，與固體發(fā)動機燃燒室有很大不同。固沖發(fā)動機地面試驗費用昂貴，而且無法同時考核多種材料，因此研制一種有效的固沖發(fā)動機模擬燒蝕試驗裝置顯得非常必要。

婁永春等[20]建立了一套富氧燒蝕試驗系統(tǒng)，由氣源、供氣系統(tǒng)、富氧燒蝕發(fā)動機、測控系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)通過向燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的燃氣中加入氧氣的方法使得燃氣處于富氧狀態(tài)，以此模擬補燃室的富氧環(huán)境開展絕熱材料燒蝕試驗。該試驗系統(tǒng)具有可模擬固沖發(fā)動機富氧燒蝕環(huán)境、試驗費用低、可同時測試多種材料的優(yōu)點。

1.4 火炬型燒蝕裝置

雖然燒蝕模擬發(fā)動機能夠提供更為真實的燒蝕狀態(tài)，但是由于使用火工品也限制其應(yīng)用的范圍。針對這種情況，國內(nèi)外學者對常壓火炬型燒蝕裝置進行改進，擴展其適用范圍。Koo等[21]在氧氣/煤油火箭發(fā)動機的尾氣中加入Al2O3粒子，模擬固體發(fā)動機的粒子沖蝕。王金金等[22]在氧氣/煤油發(fā)動機射流中注入粒子，模擬固沖發(fā)動機補燃室的工作參數(shù)，開展燒蝕試驗。

有效的試驗與測試方法能拓展燒蝕研究的廣度和深度。二十年來國內(nèi)外發(fā)展出一些新的模擬試驗與測試方法，為燒蝕研究提供了有效的手段。但是隨著燒蝕機理研究走向微細觀和精細化，對測試技術(shù)提出了更高的要求。

2 絕熱材料燒蝕特性與機理

2.1 配方對燒蝕的影響

揭示絕熱材料配方對燒蝕性能的影響規(guī)律，除了為優(yōu)化絕熱材料配方提供依據(jù)，也是進一步揭示燒蝕機理和建立燒蝕模型的基礎(chǔ)。

Natali等[23]研究了纖維、SiO2以及蒙脫石等填料對EPDM絕熱材料的增強特性，分析了填料對炭化層形貌、導(dǎo)熱、比熱以及機械性能等參數(shù)的影響。Allcorn等[24]重點研究了不同填料對絕熱材料成炭以及炭化層性能的影響。徐義華等[25]和劉洋等[26]針對基礎(chǔ)配方、無纖維配方和無SiO2配方的EPDM絕熱材料進行了固體發(fā)動機試驗，研究了纖維和SiO2填料對炭化層形成及結(jié)構(gòu)的影響。

Gul較為系統(tǒng)地開展了SiO2對EPDM絕熱材料燒蝕行為的影響研究[27]，獲得了SiO2含量對熱分解活化能、殘?zhí)柯?、表面升溫過程、質(zhì)量燒蝕率、線燒蝕率和導(dǎo)熱率等參數(shù)的影響規(guī)律，還對炭化層表面形貌進行了分析。

2.2 粒子侵蝕

Al2O3粒子的侵蝕作用會強化對絕熱材料表面的傳熱，改變材料的性質(zhì)和強度，甚至破壞材料的結(jié)構(gòu)[12,28]，而高過載條件下形成的稠密粒子流的侵蝕作用更為嚴重。因此開展粒子侵蝕，尤其是稠密粒子侵蝕的研究是很有必要的。

徐義華等[29]設(shè)計了一套冷態(tài)粒子侵蝕試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光路成像系統(tǒng)、粒子侵蝕裝置以及高速攝像機等組成。先使用燒蝕發(fā)動機制備表面有炭化層的絕熱材料試件。用高壓氣源推動活塞使粒子產(chǎn)生運動，粒子撞擊絕熱材料試件表面，采用高速攝像機記錄粒子的碰撞過程。采用活塞驅(qū)動的主要目的是排除氣流的影響，單純研究粒子與炭化層的碰撞過程以及對炭化層的破壞作用。通過試驗獲得了不同狀態(tài)參數(shù)下粒子對炭化層的破壞規(guī)律。

Li等[11]采用過載模擬燒蝕發(fā)動機開展了稠密粒子流沖刷條件下的絕熱材料燒蝕研究，發(fā)現(xiàn)粒子沖刷速度對燒蝕率的影響存在“臨界速度效應(yīng)”，如圖6所示。當沖刷速度低于臨界速度時，炭化率隨沖刷速度增大比較緩慢；當大于臨界速度時炭化率隨沖刷速度快速增大。通過炭化層的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)絕熱材料存在弱沖刷、沉積和強沖刷三種沖刷模式。

Guan等[30]利用過載模擬燒蝕發(fā)動機研究了兩種類型的四組元推進劑對絕熱材料燒蝕的影響機理。何吉宇等[31]利用過載模擬燒蝕發(fā)動機研究了添加有機氟化物(Organic fluride, OF)的高鋁含量(18%)復(fù)合推進劑對EPDM絕熱材料燒蝕的影響。分析認為，添加OF的推進劑燃燒能夠形成粒徑更小的氧化鋁顆粒，從而降低了其對絕熱材料的侵蝕作用。

2.3 氣流剝蝕

通常固體發(fā)動機燃燒室的氣流速度比較低，氣流剝蝕的影響不是很大。但是在固體發(fā)動機某些區(qū)域，如燃燒室后段和后封頭，燃氣的速度會比較高。一些吸氣式發(fā)動機，如固沖發(fā)動機、空氣渦輪火箭的補燃室內(nèi)，燃氣的速度可以達到200～300 m/s，而飛行器再入時的速度就更高了[32]，此時氣流侵蝕的影響不容忽視。

王書賢等[10]采用低凝相含量的推進劑來盡可能排除粒子侵蝕的影響，使用燒蝕發(fā)動機開展了燃氣速度對絕熱材料燒蝕的影響研究。試驗結(jié)果表明，隨著氣流速度增大，材料的燒蝕率變大。且高速段試樣的炭化層比較致密，炭化層厚度明顯減薄，表明高速氣流作用下的剝蝕作用更加明顯。此外還發(fā)現(xiàn)高速氣流對炭化層中液態(tài)SiO2的引射作用更加明顯。

Li等[33]開展了冷態(tài)條件下炭化層剝蝕試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)炭化層剝落的剪切應(yīng)力明顯小于炭化層的剪切強度，作者分析認為，炭化層存在的局部裂縫、分層等缺陷會降低炭化層的強度，并增加局部氣流剝蝕作用。雖然是冷態(tài)試驗，但是研究結(jié)果為揭示剝蝕機理提供了依據(jù)。

2.4 炭化層結(jié)構(gòu)特性

絕熱材料受熱后會形成炭化層，炭化層的性能直接影響絕熱材料的燒蝕性能。氧乙炔和燒蝕發(fā)動機試驗后形成的炭化層很薄，而且形狀不規(guī)則，很多測試難以開展。針對該問題，徐海平、孫翔宇等[34]使用高溫加壓法制備了炭化層，并對炭化層的各種性能進行了研究，分別測試了炭化層的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、殘渣率、化學組成以及力學特性等。該研究比較系統(tǒng)地對炭化層各種物理和化學性能進行了測試和表征，為燒蝕機理和燒蝕模型研究提供了重要參數(shù)。

Li等[16]通過觀察燒蝕發(fā)動機、激光燒蝕、過載燒蝕發(fā)動機的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)炭化層中存在致密/疏松結(jié)構(gòu)。圖7是燒蝕發(fā)動機試驗后炭化層斷面電鏡照片，可以看出炭化層上部比較致密，下部比較疏松。圖8為過載模擬燒蝕發(fā)動機條件下炭化層斷面電鏡照片，可以看出致密層位于中部，出現(xiàn)了“疏松/致密/疏松”的結(jié)構(gòu)。孫翔宇等[35]建立了炭化層三維孔隙結(jié)構(gòu)的微米CT無損測試方法。

Li等[16]詳細分析了致密結(jié)構(gòu)形成機理，認為致密層是熱解氣體流經(jīng)炭化層時發(fā)生氣相沉積形成的，此外還揭示了SiO2對致密結(jié)構(gòu)形成的影響機理，在此基礎(chǔ)上對炭化層的疏松/致密/疏松結(jié)構(gòu)的形成機理做出了解釋。Xi等[36]還通過設(shè)計試驗，進一步驗證了熱解氣體在高溫下確實能夠在炭化層中沉積形成致密結(jié)構(gòu)。

2.5 熱分解與熱化學燒蝕

張平偉等[37]研究了EPDM絕熱材料的熱分解特性和激光燒蝕特性。通過熱重和高壓差示掃描量熱試驗，研究了升溫速率和壓強變化對絕熱材料熱分解性能的影響，采用Coats-Redfern法獲得了常壓下EPDM絕熱材料及其主要組分的熱分解動力學方程。此外還采用激光作熱源對絕熱材料進行了熱燒蝕試驗，獲得了EPDM絕熱材料熱化學燒蝕反應(yīng)的動力學參數(shù)。

張杰等[38]開展了基于熱解動力學的絕熱材料燒蝕研究，采用熱解動力學模型計算材料的熱分解，采用基于化學動力學控制及擴散控制的燒蝕模型計算材料表面的燒蝕。

2.6 Al2O3沉積條件下的燒蝕

對于大型分段裝藥發(fā)動機和帶潛入噴管的固體發(fā)動機，燃燒室和潛入噴管背壁的Al2O3沉積(熔渣沉積)會比較嚴重。熔渣沉積不僅帶來了惰性質(zhì)量的增加，高溫的Al2O3沉積也會大大加劇絕熱材料的燒蝕。我國在分段裝藥固體發(fā)動機研制中也出現(xiàn)了這樣的問題。傳統(tǒng)的燒蝕機理無法解釋和預(yù)示這種現(xiàn)象，這就需要針對Al2O3沉積下的燒蝕機理開展專門的研究。Guan等[39]基于對固體發(fā)動機內(nèi)沉積規(guī)律的認識，設(shè)計了一種可產(chǎn)生Al2O3沉積的燒蝕試驗發(fā)動機，利用該發(fā)動機開展了Al2O3沉積條件下EPDM絕熱材料的燒蝕研究。通過對試驗后的炭化層和沉積物進行成分分析，推斷了高溫條件下Al2O3與炭化層的熱化學反應(yīng)機理。在此基礎(chǔ)上，還利用高溫熱失重裝置，開展了炭熱還原的反應(yīng)動力學研究，獲得反應(yīng)動力學參數(shù)和反應(yīng)機理函數(shù)[40]。

2.7 新型納米絕熱材料的燒蝕

固體發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，以及高能推進劑的應(yīng)用，對絕熱材料的燒蝕性能提出了更高的要求。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，近些年國內(nèi)外在新型納米填料增強的絕熱材料方面開展了很多探索性研究。

Guo等[41]研究了多壁碳納米管填料對EPDM絕熱材料性能的影響。首先對比了有無碳納米管的EPDM絕熱材料的性能，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以增強材料的力學性能、熱穩(wěn)定性以及燒蝕性能。然后對碳納米管的增強機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)碳納米管能提高殘?zhí)柯?，并且在炭化層中形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了絕熱材料的抗燒蝕性能。

Saghar等[42]研究了碳納米管填料對炭/酚醛絕熱材料燒蝕性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)含0.1wt%炭納米管的絕熱材料其燒蝕率比無碳納米配方下降了9%。在含碳納米管配方的炭化層電鏡照片中發(fā)現(xiàn)，炭纖維表面形成了一層新的炭層，有助于提高抗氧化性能。分析認為由于碳納米管良好的成核特性，促進了炭纖維表面炭層結(jié)構(gòu)的形成。

目前大多數(shù)的研究是對新型納米復(fù)合材料性能的探索，對于燒蝕機理缺乏深刻的理解，且存在一些不同的觀點。例如Natali等[23]認為碳納米管可增加表面的輻射，增強散熱；Guo等[41]則認為碳納米管的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了炭化層的強度和抗沖刷的能力。此外，納米復(fù)合材料的燒蝕在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上進行改進就能滿足要求呢，還是需要建立新的理論，目前還沒有定論。

3 燒蝕模型研究進展

燒蝕研究的重要目的之一是實現(xiàn)對燒蝕的準確預(yù)示，這就需要在燒蝕機理基礎(chǔ)上建立科學的燒蝕理論模型。隨著發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，近年來對于精細化建模的需要也越來越強。

3.1 基于多孔介質(zhì)的燒蝕模型

傳統(tǒng)的燒蝕模型大多是基于三層模型，將絕熱材料分為原始層、熱解層和炭化層，針對這三層建立質(zhì)量、能量、組分和化學反應(yīng)方程，然后聯(lián)立求解。隨著對燒蝕機理認識的不斷深入，傳統(tǒng)的燒蝕模型很難滿足需求，很多學者開始建立更加復(fù)雜的模型。

Yang等[8]在建立燒蝕模型時已經(jīng)開始將燒蝕材料當作多孔介質(zhì)來處理。其研究是以導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的熱防護材料燒蝕為對象，針對熱化學燒蝕和粒子侵蝕過程建立模型。Yang還認為在燒蝕過程中會產(chǎn)生孔隙壓力，并推測壓力的建立會在燒蝕材料內(nèi)部形成應(yīng)力，引起材料結(jié)構(gòu)的變化，可能導(dǎo)致材料的失效。

Dimitrienko等[43]從多孔介質(zhì)的角度研究了聚合物基絕熱材料的燒蝕行為，描述了燒蝕過程中炭化層結(jié)構(gòu)的變化及機械侵蝕的過程，認為燒蝕過程中存在內(nèi)部侵蝕和外部侵蝕作用。Curry等[2]在對阿波羅飛船熱防護系統(tǒng)進行回顧分析時，建立了比較復(fù)雜的燒蝕模型，其中涉及到氣動加熱、反向輻射、熱阻塞、燒蝕氣體的流動、表面推移、燃燒、熱傳導(dǎo)、沉積以及炭化層內(nèi)部的二次輻射等過程。Natali等[44]建立的燒蝕模型考慮了絕熱材料的膨脹以及熱解氣體在炭化層上的沉積。張斌等[4]對長時間工作固體發(fā)動機內(nèi)絕熱材料燒蝕及溫度場進行了耦合計算，得到了化學燒蝕率、擴散燒蝕率、燃燒室內(nèi)壁溫度等參數(shù)。

楊颯等[45]針對炭化層的孔隙特征，借鑒多孔介質(zhì)的理論和模型，建立了基于多孔介質(zhì)的熱化學燒蝕模型。該模型將炭化層當作多孔介質(zhì)來處理，以孔隙率作為關(guān)鍵參數(shù)，針對燃氣、炭化層、熱解層和原始層建立了統(tǒng)一的控制方程來描述，采用統(tǒng)一方法進行求解。該模型可描述材料內(nèi)部的傳熱、流動和化學反應(yīng)，是真正的體燒蝕模型?？梢员容^容易地與描述各種物理化學過程的子模型進行耦合，具有很好的適用性和擴展性。李強等利用多種燒蝕發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)對該模型進行了較為充分的驗證。

王書賢等[46]開展了EPDM絕熱材料在氣相燃氣環(huán)境下的燒蝕機理研究，在基于多孔介質(zhì)的燒蝕模型基礎(chǔ)上，提出了將燒蝕區(qū)域劃分為多孔介質(zhì)區(qū)(炭化層及熱解層)和固體區(qū)(基體)兩部分并包含沉積反應(yīng)的雙區(qū)體燒蝕模型。在固體區(qū)域只考慮熱傳導(dǎo)，多孔介質(zhì)區(qū)域除傳熱外還包含燒蝕氣體的流動、化學反應(yīng)及氣流剝蝕，化學反應(yīng)除常規(guī)的熱解反應(yīng)和氧化反應(yīng)外，還包含沉積反應(yīng)。

3.2 粒子侵蝕模型

王娟[47]和Liu等[48-49]利用過載模擬燒蝕發(fā)動機開展了粒子沖刷對EPDM絕熱材料燒蝕影響的試驗研究，獲得了不同粒子沖刷狀態(tài)參數(shù)下絕熱材料的炭化率，通過多元回歸得到了炭化率、臨界孔隙率與粒子沖刷速度、濃度和角度的經(jīng)驗關(guān)系式。與多孔介質(zhì)的熱化學燒蝕模型耦合，建立了基于經(jīng)驗關(guān)系式的過載燒蝕模型。

王娟的模型中將粒子侵蝕作用通過臨界孔隙率來簡化，解決了侵蝕建模的難點問題，但是由于沒有具體考慮炭化層的材料性質(zhì)及力學破壞形式，其適用范圍受到一定的限制。

徐義華等[50]分析了炭化層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，建立炭化層的彈性模量、剪切模量、泊松比、抗壓強度和抗剪強度等性能參數(shù)與孔隙率的關(guān)系，為建立炭化層侵蝕模型提供了基礎(chǔ)。

Xu等[51]依據(jù)炭化層性能參數(shù)與孔隙率的關(guān)系，從粒子動力學參數(shù)出發(fā)，分析了粒子與炭化層相互作用機制，計算出粒子對炭化層作用力，再根據(jù)試驗得到的炭化層強度與孔隙率的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出粒子對炭化層的侵蝕模型。他們建立的炭化層力學模型是從理論上進行推導(dǎo)得出，具有一定的普適性。該模型的亮點是構(gòu)建規(guī)則的幾何單元體來等效炭化層的孔隙結(jié)構(gòu)，解決了炭化層建模的關(guān)鍵問題。

Wirzberger等[52]建立了一個絕熱材料侵蝕預(yù)測模型，該模型將粒子侵蝕機理分為三種：粒子對材料的剝蝕，高溫粒子對材料表面加熱引起的燒蝕和粒子動能轉(zhuǎn)化來的熱量對表面的燒蝕。模型基于實際的物理侵蝕過程，取代了經(jīng)驗修正的方法，得到了更為精確的侵蝕預(yù)示結(jié)果。該模型主要針對發(fā)動機壁面粒子侵蝕引起的燒蝕，沒有與熱化學燒蝕相耦合。

李宗巖[53]借鑒了Wirzberger的粒子侵蝕模型，從炭化層強度與粒子碰撞兩方面，利用徐義華建立的炭化層性能與孔隙率的關(guān)系，基于脆性材料的彈塑性壓痕斷裂理論建立了粒子侵蝕模型。將粒子侵蝕模型與多孔介質(zhì)的熱化學燒蝕模型耦合，得到了適用于EPDM絕熱材料的燒蝕/侵蝕耦合計算模型。與試驗數(shù)據(jù)進行比較，可以較好地模擬稠密粒子侵蝕形成的凹坑，如圖9所示，且炭化率的計算值與試驗值偏差在12%以內(nèi)。

3.3 沖壓發(fā)動機燒蝕模型

沖壓發(fā)動機補燃室的燒蝕環(huán)境有一定特殊性，在燒蝕建模時也要充分考慮這些因素。余曉京[54]建立了富氧條件下炭化層、熱解層、基體層的富氧燒蝕模型。燒蝕過程中，燃氣內(nèi)的氧滲入炭化層內(nèi)部，在炭化層孔隙內(nèi)與材料發(fā)生放熱反應(yīng)，消耗炭化層，加劇了絕熱材料的燒蝕。研究認為炭化層的孔隙率對于燒蝕有很大的影響，是表征燒蝕材料的一個重要參數(shù)。此外還分析了富氧燒蝕條件下氧含量、壓強以及炭化層厚度對絕熱材料燒蝕的影響規(guī)律。

楊棟[55]基于氧-乙炔和沖壓發(fā)動機燒蝕試驗，研究了硅橡膠基絕熱材料配方組成和燒蝕環(huán)境對絕熱材料燒蝕的影響規(guī)律。針對燒蝕過程中絕熱材料的熱分解、陶瓷化和熱氧化反應(yīng)特征進行了研究，獲得了主要反應(yīng)的熱力學和動力學數(shù)據(jù)，明確了硅橡膠基絕熱材料燒蝕結(jié)構(gòu)、孔隙、成分、反應(yīng)與溫度等環(huán)境參數(shù)的關(guān)系，揭示了硅橡膠基絕熱材料的熱化學燒蝕機理，并以孔隙率為核心，建立了沖壓發(fā)動機環(huán)境下的硅橡膠絕熱材料燒蝕模型。

李理[56]建立了包括氣流沖蝕，粒子剝蝕和熱化學燒蝕的沖壓發(fā)動機補燃室絕熱材料燒蝕模型。

4 結(jié)束語

綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前在絕熱材料燒蝕機研究方面的主要特點是：

1)已經(jīng)發(fā)展了多種有效的模擬試驗裝置與測試方法，拓展了燒蝕研究的廣度和深度，但是仍然不能滿足精細化研究的需要。

2)機理與模型研究呈現(xiàn)從宏觀走向細觀甚至微觀的趨勢，在燒蝕模型方面已經(jīng)引入多孔介質(zhì)理論來建立模型，為模型的精細化提供了很好的平臺，對燒蝕各子過程的研究更細，也更加深入。

3)更加重視絕熱材料內(nèi)多相介質(zhì)流動、傳熱傳質(zhì)和化學反應(yīng)等多物理場的耦合。

未來隨著固體發(fā)動機技術(shù)和新材料的發(fā)展，絕熱材料燒蝕研究還會面臨新的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：

1)新型高能推進劑的研發(fā)和應(yīng)用。新型高能材料的應(yīng)用，使得燃燒室溫度更高，絕熱材料燒蝕可能會面臨一些新的問題，例如燃氣中Al2O3的汽化、燃氣組分的變化、燒蝕表面的汽化等帶來的燒蝕機理上的新問題。

2)新材料的發(fā)展。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，新型納米絕熱材料展現(xiàn)出良好的燒蝕性能，具有巨大的潛力。納米填料的加入雖然改善了絕熱材料的力學、燒蝕等性能，同時也帶來了隔熱性能變差的問題，這是需要解決的關(guān)鍵問題。納米材料首先從微觀層面上改變材料的結(jié)構(gòu)和性能，同時納米材料自身具有較優(yōu)異的物理化學性能，這些都會對絕熱材料的燒蝕特性產(chǎn)生一些質(zhì)的影響。

3)精細化模型的需求。雖然目前國內(nèi)外學者已經(jīng)建立了描述炭化層孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)流動、傳熱的燒蝕模型，但是這些模型大多采用了體平均的處理，避開了對具體微細觀結(jié)構(gòu)的描述。實際的炭化層的孔徑分布、孔隙通道是很不規(guī)則的，如何更加精細的描述這些特征，同時還要保證可承受的計算量，也是未來需要面對的挑戰(zhàn)。

熱防護往往決定發(fā)動機的成敗，是發(fā)動機的核心技術(shù)之一。發(fā)動機燒蝕是極其復(fù)雜的物理化學過程，涉及眾多學科領(lǐng)域。近些年來我國在發(fā)動機燒蝕方面取得了一些顯著的成果，但是仍然與國外先進技術(shù)有一定差距。未來需要國內(nèi)的研究者緊盯國際前沿，結(jié)合中國的具體國情，扎扎實實開展基礎(chǔ)研究，為推動我國發(fā)動機熱防護技術(shù)的發(fā)展提供支撐和保障。