几种发动机喉衬材料实践应用浅析

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【摘 要】通过对几种常用喉衬材料在发动机小推力、长时间工作条件下的对比分析，提出了工程中较为合理可行的方案。

【关键词】喉衬 烧蚀 材料

固体火箭发动机内流动工质是高温燃气，有时还含有一定量的融熔态颗粒。燃气流过喷管时对壁面急剧加热、冲刷及烧蚀，可能会使喷管内型面遭到破坏。同时，燃气的热量通过壁面向外壁传导，使喷管壁面材料的温度升高。因此喷管热防护设计非常重要。

热防护层通常分为两层：上层为耐烧蚀层，用以抗热冲击、化学和机械作用；下层为绝热层，用以减少向喷管壳体壁的传热。由于耐烧蚀材料的价格通常随着耐热性能的提高而提高，所以应分段采用不同的材料。

火箭发动机工作时，高温燃气在喷管内流动，喉部及其上下游受热较严重，温升较高，且有高速气流冲刷，容易造成严重烧蚀。喉衬选材的好坏，对燃气的流动有很大影响，直接关系到喉衬效率和推力的大小。喉衬烧蚀不仅使火箭弹密集度变坏，更使内弹道性能（P-T曲线）变坏，甚至熄火。因此，喉衬必须采用耐热性能好的材料。

一、产品参数分析

不同的发动机，时间不同，可采用不同形式的热防护。在发动机工作小推力、长时间的条件下，喉衬的工作环境较为恶劣。在工程研制阶段，需要选择一些价格合理，技术相对成熟的材料进行进一步优选。

钼和钨熔点较高，我们首选钼、钨及钨铜合金做试验材料。由于用钼和钨用模压烧结方法制造的喉衬密度低，耐烧蚀性能不如用挤压和锻造方法成形的喉衬，因此我们选用挤压成形的棒料机加成形。碳的烧蚀率低，烧蚀均匀，且强度随温度升高而升高。材料厂家通过注塑直接成型，不需要二次加工。

综上所述，我们从目前常用的喉衬材料中初步选用了钼棒、碳纤维、钨铜合金、沉积钨四种材料的喉衬进行参数分析，见表1。

二、发动机静态对比试验

为观察四种材料在小推力、长时间条件下的烧蚀情况，我们做静态对比试验进行比较分析。

（一）静态对比试验

1.试验器材

准备火箭发动机4组，每组三个，共12个。其中喉衬结构相同，材料不同。其它零部件完全相同。喉衬材料分别为钼棒、碳-碳纤维、钨铜合金、沉积钨四种。

2.试验方案

将火箭发动机固定在旋转试验台上，点燃火箭发动机。测绘发动机工作时的F-T曲线；发动机工作完成后，观察喉衬的烧蚀情况。

3.试验结果

（1）试验后观察钼喉衬的烧蚀情况，未见有严重烧蚀的沟痕。发动机工作时高温燃气造成喷管座严重烧蚀，见图1钼喉衬工作后照片。

（2）试验后观察碳-碳纤维喉衬的烧蚀情况，未见有严重烧蚀的沟痕，但测量喉衬喉径部直径约为φ15mm左右（原图定φ9.6mm），明显扩大，根据观测到的情况，试验两发后终止对比试验。见图2碳-碳纤维喉衬工作后照片。

（3）钨铜合金喉衬发动机工作时，喉衬均无明显烧蚀痕迹。见图3钨铜合金喉衬工作F-T曲线图。

（4）第1发沉积钨喉衬试验后，观察该喉衬的烧蚀情况，喉衬部分被烧化，不完整，根据观测到的情况，终止其余两发的试验。见图4沉积钨喉衬工作后照片。

（二）试验分析

由于钼棒机加性不好，常在螺纹处容易产生崩纫。更容易导致喉衬和喷管座在螺纹处产生间隙。发动机工作时，高温燃气从间隙处溢出造成喷管座严重烧蚀。

碳-碳纤维喉衬未见有严重烧蚀的沟痕。但喉衬喉径部直径明显扩大，会使火箭弹密集度、内弹道性能变坏，该材料不能满足产品性能要求。

钨铜合金喉衬在发动机工作时三发均无明显烧蚀痕迹；并且它与钼喉衬的F-T曲线基本一致，该材料能满足产品性能要求，可进一步进行其它环境试验。

沉积钨喉衬的发动机工作时，喉衬无法满足使用要求，该材料不能满足产品性能要求。

三、结论

通过对钼棒、碳纤维、钨铜合金、沉积钨四种喉衬材料进行静态对比试验，可以知道碳纤维和沉积钨不适于做小推力、长时间火箭发动机的喉衬材料。钼棒和钨铜合金烧蚀性满足使用要求，同时这两种材料（F-T曲线）基本一致。可以继续进行其它环境试验和动态试验进行验证。