發(fā)動機(jī)高溫爆破試驗(yàn)研究

田振宇，何曉勃，張茹遠(yuǎn)

（中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院四O一所，陜西西安710025）

發(fā)動機(jī)高溫爆破試驗(yàn)研究

田振宇，何曉勃，張茹遠(yuǎn)

（中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院四O一所，陜西西安710025）

本文提出了一種新型復(fù)合試驗(yàn)方法——高溫爆破試驗(yàn)，主要應(yīng)用于復(fù)合材料發(fā)動機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域。通過對發(fā)動機(jī)模擬件進(jìn)行試驗(yàn)，可獲得復(fù)合材料在高溫下的力學(xué)性能。在高溫下，復(fù)合材料發(fā)動機(jī)主要是粘接劑和復(fù)合材料的軟化造成材料力學(xué)性能下降，通過高溫爆破試驗(yàn)獲得材料性能隨溫度變化的規(guī)律，對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)意見。

高溫爆破；復(fù)合材料；加熱系統(tǒng)；內(nèi)壓加載

復(fù)合材料發(fā)動機(jī)在飛行過程中，由于受到內(nèi)部點(diǎn)火高溫及大氣的摩擦及阻礙等因素的影響，會使復(fù)合材料發(fā)動機(jī)承受內(nèi)外熱載荷，發(fā)動機(jī)內(nèi)部有高溫絕熱層，而發(fā)動機(jī)外部無外防熱涂層，熱載荷會使復(fù)合材料發(fā)動機(jī)粘接劑高溫軟化，承載能力降低，對殼體性能造成影響。因此，對發(fā)動機(jī)在高溫條件下的粘接劑性能試驗(yàn)研究，是設(shè)計(jì)復(fù)合材料發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

考核發(fā)動機(jī)粘接劑高溫性能，只要對發(fā)動機(jī)加載至工作溫度，同時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)即可考核出粘接劑高溫性能。目前，模擬熱載荷試驗(yàn)方法主要為輻射熱加熱試驗(yàn)方法，采用石英燈作為加熱元件，技術(shù)較為成熟。

本文主要提出了另一種高溫載荷試驗(yàn)方法，即高溫爆破試驗(yàn)，傳統(tǒng)爆破試驗(yàn)主要考核發(fā)動機(jī)在點(diǎn)火后承受的內(nèi)壓載荷，使殼體在飛行時(shí)不因藥柱能量過大導(dǎo)致殼體發(fā)生解體，試驗(yàn)時(shí)均在常溫下進(jìn)行。設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了藥柱燃燒溫度而進(jìn)行了內(nèi)防熱，無防熱涂層，同時(shí)，即使有內(nèi)防熱也無可靠資料能證明具有內(nèi)防熱效果。而高溫爆破試驗(yàn)對試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行了內(nèi)外同時(shí)加熱，使試驗(yàn)條件真實(shí)模擬飛行受熱，試驗(yàn)后可模擬出真實(shí)受熱情況下產(chǎn)品的爆破承載能力。

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)原理

高溫爆破試驗(yàn)技術(shù)是一種在地面考核復(fù)合材料發(fā)動機(jī)的高溫承載能力試驗(yàn)技術(shù)。高溫爆破試驗(yàn)區(qū)別于傳統(tǒng)熱試驗(yàn)方法是加熱方式的不同，高溫爆破試驗(yàn)主要采用高溫硅油作為加熱介質(zhì)。高溫硅油具有高度導(dǎo)熱性、耐高低溫性、疏水性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，高溫硅油即使加載至300℃時(shí)性能依然穩(wěn)定，不會冒煙或揮發(fā)出難聞氣味，因此，加載介質(zhì)采用高溫硅油。

試驗(yàn)時(shí)對高溫硅油進(jìn)行加載，加熱后將高溫硅油注入試驗(yàn)件內(nèi)，并將試驗(yàn)件安裝于加熱筒內(nèi)部，對試驗(yàn)件進(jìn)行硅油補(bǔ)償，保證試驗(yàn)件內(nèi)部溫度到達(dá)指定溫度后封閉出入口進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

1.2 高溫爆破試驗(yàn)裝置

在爆破試驗(yàn)時(shí)，先將高溫硅油加熱至爆破試驗(yàn)溫度，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)溫度后，打開高溫閥門并使用加壓泵將高溫硅油注入試驗(yàn)件內(nèi)，在試驗(yàn)件內(nèi)高溫硅油注滿之后關(guān)閉排氣管并打開排油管，觀察試驗(yàn)件內(nèi)高溫硅油溫度，通過排油管排出已冷卻的高溫硅油，待試驗(yàn)件內(nèi)高溫介質(zhì)達(dá)到目標(biāo)溫度后，關(guān)閉排油管，使用打壓管進(jìn)行爆破試驗(yàn)。高溫爆破試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 高溫爆破試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)要求及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)要求

正式試驗(yàn)要使試驗(yàn)件內(nèi)充滿高溫油，加熱筒內(nèi)的高溫油，使其達(dá)到相應(yīng)的溫度（溫度為常溫、100℃、150℃），加熱筒內(nèi)溫度要比要求溫度稍高，補(bǔ)償在流動中的溫度損失；打開進(jìn)油管的高壓閥門灌油，在試驗(yàn)件充滿高溫硅油后繼續(xù)進(jìn)油，最終使筒段中部內(nèi)外壁各象限溫度達(dá)到指定溫度，要求溫差小于等于5℃。

在進(jìn)行爆破試驗(yàn)前，先對殼體進(jìn)行0.3 MPa壓力檢漏，使用堵頭堵住測壓管，先進(jìn)行預(yù)打壓，當(dāng)壓力升至0.3 MPa時(shí)，觀察有無泄漏。試驗(yàn)需進(jìn)行溫度測量，因受到試驗(yàn)條件限制，只進(jìn)行了試驗(yàn)件外部溫度測量。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

共進(jìn)行了9臺試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果中150℃溫度試驗(yàn)因溫度過高，導(dǎo)致溫度片粘貼困難，只測量了2點(diǎn)溫度，而4#產(chǎn)品則是在試驗(yàn)過程中溫度篇損壞導(dǎo)致溫度缺失。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 壓力隨溫度變化

從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，復(fù)合材料發(fā)動機(jī)承載能力呈明顯下降趨勢，當(dāng)溫度達(dá)到150℃時(shí)，復(fù)合材料發(fā)動機(jī)承載能力僅相當(dāng)于常溫的50%.究其原因是因?yàn)殡S著溫度的升高，復(fù)合材料粘接劑粘為樹脂，高溫導(dǎo)致粘接劑性能下降，最終發(fā)動機(jī)承載能力下降。

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

本文對復(fù)合材料發(fā)動機(jī)高溫爆破性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，隨著溫度的升高，復(fù)合材料發(fā)動機(jī)的承載能力呈下降趨勢，溫度對復(fù)合材料性能及粘接劑性能產(chǎn)生了較大影響，所以考慮發(fā)動機(jī)在飛行過程的外防熱技術(shù)非常有必要。

本文探討了一種高溫爆破試驗(yàn)方法，在傳統(tǒng)試驗(yàn)中，爆破試驗(yàn)本身具有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)，復(fù)合高溫試驗(yàn)后，危險(xiǎn)性加大。因溫度試驗(yàn)加載方式一般為溫度箱加載，在溫度箱中進(jìn)行爆破試驗(yàn)會損壞試驗(yàn)設(shè)備，所以，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，因試驗(yàn)廠房及安全性的原因，一直未考慮進(jìn)行高溫爆破復(fù)合試驗(yàn)。

而在高溫爆破試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高溫硅油在加熱中熱交換較快，溫度控制較為困難，同時(shí)，因熱油溫度較高，在操作過程中出現(xiàn)了一些失誤，導(dǎo)致部分測試數(shù)據(jù)丟失，所以，在后續(xù)試驗(yàn)中需考慮操作熱防護(hù)及改進(jìn)溫度控制方法。

3 展望

現(xiàn)階段，我國航天事業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，試驗(yàn)種類及試驗(yàn)方法呈復(fù)雜狀態(tài)發(fā)展，在未來試驗(yàn)發(fā)展中，如何能更加真實(shí)地模擬實(shí)際飛行狀態(tài)是近年來試驗(yàn)發(fā)展的重要方向。在試驗(yàn)發(fā)展中，越來越多的復(fù)合試驗(yàn)加入到試驗(yàn)方法中，未來的天地一致性試驗(yàn)是試驗(yàn)發(fā)展的必然，所以，研究多種復(fù)合工況試驗(yàn)是非常有必要的，也是未來發(fā)展的方向。

［1］周錫儀.結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：宇航出版社，1993.

［2］魏生道.結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：宇航出版社，1988.

〔編輯：張思楠〕

TG454

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.111

2095－6835（2017）14－0111－02

田振宇（1985—），男，研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)高溫爆破強(qiáng)度試驗(yàn)。