固体火箭发动机内绝热材料烧蚀机理与模型

本书主要介绍固体火箭发动机内绝热材料烧蚀机理和模型方面的研究成果。全书共9章，第1章介绍固体火箭发动机热防护和绝热层烧蚀的基本概念，以及烧蚀材料的研究进展与展望；第2章介绍绝热材料与烧蚀实验方法；第3～5章分别从热分解与热化学烧蚀、炭化层特性、气流剥蚀和粒子侵蚀等方面深入阐述绝热材料的烧蚀机理；第6章介绍基于分层结构的热化学烧蚀模型；第7章介绍基于多孔介质的热化学体烧蚀模型；第8章介绍绝热材料的侵蚀／烧蚀耦合模型；第9章介绍高温氧化铝沉积下的绝热材料烧蚀机理与模型。

第1章 绪论 1
1.1 固体火箭发动机的热防护 1
1.2 固体火箭发动机绝热层的烧蚀 2
1.2.1 烧蚀的概念 2
1.2.2 烧蚀的分类 2
1.2.3 绝热材料烧蚀问题的复杂性 3
1.2.4 绝热材料烧蚀研究的重要性 3
1.3 绝热材料烧蚀研究进展 4
1.3.1 烧蚀实验方法与装置 4
1.3.2 烧蚀特性与机理 9
1.3.3 烧蚀模型 13
1.3.4 研究现状的总结 16
1.4 绝热材料烧蚀研究展望 16
参考文献 17
第2章 绝热材料与烧蚀实验方法 21
2.1 固体发动机绝热层的作用和要求 21
2.2 绝热材料的分类与发展 22
2.3 绝热材料的制备方法 23
2.3.1 共混法 23
2.3.2 溶胶凝胶法 25
2.3.3 原位聚合法 25
2.4 绝热材料常用填料 25
2.4.1 炭黑 26
2.4.2 白炭黑 26
2.4.3 纤维 26
2.4.4 硫化剂 26
2.5 常用绝热材料 27
2.5.1 丁腈橡胶绝热材料 27
2.5.2 三元乙丙绝热材料 28
2.5.3 硅橡胶绝热材料 29
2.6 烧蚀实验方法 31
2.6.1 氧乙炔烧蚀法 31
2.6.2 烧蚀实验发动机法 33
2.6.3 烧蚀率 34
参考文献 35
第3章 绝热材料热分解与热化学烧蚀 36
3.1 热分解 36
3.1.1 概述 36
3.1.2 测试方法 37
3.1.3 EPDM绝热材料热分解特性 39
3.1.4 EPDM绝热材料热分解机理与动力学 41
3.2 热化学烧蚀 45
3.2.1 SiC的原位生成与消耗反应 46
3.2.2 热化学主导反应式 47
3.2.3 热化学反应热力学分析 48
3.2.4 热化学反应动力学分析 49
参考文献 53
第4章 炭化层特性 54
4.1 炭化层制样方法 54
4.2 炭化层的物理特性 54
4.2.1 密度和孔隙率 55
4.2.2 黑度 56
4.2.3 导热系数和比热容 57
4.3 炭化层化学特性 58
4.4 炭化层力学特性 59
4.4.1 硬度与模量 59
4.4.2 抗压缩性能 60
4.4.3 耐磨耗性能 61
4.5 炭化层结构特性 61
4.5.1 微观形貌 61
4.5.2 微观结构及孔径分布 63
4.5.3 比表面积 64
4.6 炭化层中的组分迁移 65
4.7 炭化层中的致密/疏松结构 68
4.7.1 炭化层孔隙结构对烧蚀的影响 68
4.7.2 炭化层致密/疏松现象 68
4.7.3 炭化层致密/疏松结构的形成机理 70
参考文献 72
第5章 气流剥蚀与粒子侵蚀 73
5.1 气流剥蚀 73
5.1.1 燃气速度对烧蚀的影响 73
5.1.2 炭化层冷流剥蚀实验研究 77
5.1.3 气流剥蚀机理的总结 88
5.2 粒子侵蚀 88
5.2.1 稠密粒子侵蚀条件下绝热材料烧蚀特性 89
5.2.2 粒子侵蚀的热增量 101
5.2.3 冷态粒子侵蚀条件下炭化层的强度特性 112
5.2.4 粒子侵蚀机理的总结 119
参考文献 119
第6章 基于分层结构的热化学烧蚀模型 121
6.1 物理模型 121
6.2 表面能量和质量守恒方程 123
6.3 气相层流边界层方程及数值解 126
6.3.1 层流边界层方程 126
6.3.2 微分方程的无因次变化 127
6.3.3 常微分方程的数值解 129
6.4 气膜分析法 130
6.5 材料内部热响应 132
6.5.1 材料热响应控制方程 132
6.5.2 数值处理 133
6.6 表面化学反应热效应和组分方程 138
6.6.1 表面化学反应热效应 138
6.6.2 表面组分守恒方程 139
6.7 计算方法 141
6.7.1 非线性方程组解法 141
6.7.2 计算流程 143
6.8 算例及验证 145
参考文献 148
第7章 基于多孔介质的热化学体烧蚀模型 149
7.1 物理模型 149
7.1.1 绝热材料烧蚀过程 149
7.1.2 体烧蚀模型概念 150
7.1.3 炭化层多孔介质物理模型 151
7.1.4 基本假设 152
7.2 数学模型 153
7.2.1 体平均控制方程 153
7.2.2 气体组分扩散模型 159
7.2.3 初始及边界条件 160
7.2.4 烧蚀表面热流密度 160
7.2.5 热化学烧蚀模型 161
7.3 数值计算方法 165
7.3.1 控制方程的一般形式 165
7.3.2 一般输运方程的离散化 166
7.3.3 计算步骤 168
7.4 算例 169
参考文献 172
第8章 绝热材料的侵蚀/烧蚀耦合模型 173
8.1 侵蚀与热化学烧蚀的耦合关系 173
8.2 基于临界孔隙率的侵蚀/烧蚀耦合模型 174
8.2.1 建模思想 174
8.2.2 侵蚀临界孔隙率关系式 174
8.2.3 计算流程 175
8.2.4 模型验证及结果分析 176
 8.3 基于炭化层破坏的侵蚀/烧蚀耦合模型 179
8.3.1 炭化层等效几何单元模型 179
8.3.2 炭化层力学参数表征 180
8.3.3 粒子对炭化层的侵蚀模型 189
8.3.4 耦合计算程序 198
8.3.5 模型验证与计算分析 200
参考文献 207
第9章 高温氧化铝沉积下绝热材料烧蚀机理与模型 209
9.1 概述 209
9.1.1 研究背景 209
9.1.2 关键问题 210
9.1.3 研究思路 211
9.2 固体发动机氧化铝沉积计算 212
9.2.1 两相流动数值模型 212
9.2.2 液滴壁面碰撞模型 214
9.2.3 典型发动机氧化铝沉积数值模拟 215
9.3 氧化铝沉积实验 217
9.3.1 实验与测试方法 217
9.3.2 实验结果与分析 221
9.4 氧化铝沉积热流的反演计算 226
9.4.1 导热反问题数值求解方法 226
9.4.2 计算模型的检验 231
9.4.3 沉积热流的反演计算 232
9.4.4 氧化铝沉积的传热特性分析 234
9.5 高温氧化铝与炭化层的反应特性研究 236
9.5.1 氧化铝与炭化层反应的热力学分析 236
9.5.2 氧化铝与炭化层反应动力学研究 240
9.5.3 高温氧化铝与炭化层的反应机理总结 250
9.6 氧化铝沉积条件下绝热材料烧蚀模型 251
9.6.1 沉积烧蚀模型 251
9.6.2 沉积烧蚀计算程序 253
9.6.3 模型的检验与修正 254
参考文献 261