發動機高溫爆破試驗研究

田振宇，何曉勃，張茹遠

（中國航天科技集團公司第四研究院四O一所，陜西西安710025）

發動機高溫爆破試驗研究

田振宇，何曉勃，張茹遠

（中國航天科技集團公司第四研究院四O一所，陜西西安710025）

本文提出了一種新型復合試驗方法——高溫爆破試驗，主要應用于復合材料發動機試驗領域。通過對發動機模擬件進行試驗，可獲得復合材料在高溫下的力學性能。在高溫下，復合材料發動機主要是粘接劑和復合材料的軟化造成材料力學性能下降，通過高溫爆破試驗獲得材料性能隨溫度變化的規律，對發動機設計提出了指導意見。

高溫爆破；復合材料；加熱系統；內壓加載

復合材料發動機在飛行過程中，由于受到內部點火高溫及大氣的摩擦及阻礙等因素的影響，會使復合材料發動機承受內外熱載荷，發動機內部有高溫絕熱層，而發動機外部無外防熱涂層，熱載荷會使復合材料發動機粘接劑高溫軟化，承載能力降低，對殼體性能造成影響。因此，對發動機在高溫條件下的粘接劑性能試驗研究，是設計復合材料發動機的關鍵技術之一。

考核發動機粘接劑高溫性能，只要對發動機加載至工作溫度，同時進行力學性能試驗即可考核出粘接劑高溫性能。目前，模擬熱載荷試驗方法主要為輻射熱加熱試驗方法，采用石英燈作為加熱元件，技術較為成熟。

本文主要提出了另一種高溫載荷試驗方法，即高溫爆破試驗，傳統爆破試驗主要考核發動機在點火后承受的內壓載荷，使殼體在飛行時不因藥柱能量過大導致殼體發生解體，試驗時均在常溫下進行。設計時，只考慮了藥柱燃燒溫度而進行了內防熱，無防熱涂層，同時，即使有內防熱也無可靠資料能證明具有內防熱效果。而高溫爆破試驗對試驗產品進行了內外同時加熱，使試驗條件真實模擬飛行受熱，試驗后可模擬出真實受熱情況下產品的爆破承載能力。

1 試驗原理及方法

1.1 試驗原理

高溫爆破試驗技術是一種在地面考核復合材料發動機的高溫承載能力試驗技術。高溫爆破試驗區別于傳統熱試驗方法是加熱方式的不同，高溫爆破試驗主要采用高溫硅油作為加熱介質。高溫硅油具有高度導熱性、耐高低溫性、疏水性、熱穩定性等優良特性，高溫硅油即使加載至300℃時性能依然穩定，不會冒煙或揮發出難聞氣味，因此，加載介質采用高溫硅油。

試驗時對高溫硅油進行加載，加熱后將高溫硅油注入試驗件內，并將試驗件安裝于加熱筒內部，對試驗件進行硅油補償，保證試驗件內部溫度到達指定溫度后封閉出入口進行爆破試驗。

1.2 高溫爆破試驗裝置

在爆破試驗時，先將高溫硅油加熱至爆破試驗溫度，當達到試驗溫度后，打開高溫閥門并使用加壓泵將高溫硅油注入試驗件內，在試驗件內高溫硅油注滿之后關閉排氣管并打開排油管，觀察試驗件內高溫硅油溫度，通過排油管排出已冷卻的高溫硅油，待試驗件內高溫介質達到目標溫度后，關閉排油管，使用打壓管進行爆破試驗。高溫爆破試驗裝置如圖1所示。

圖1 高溫爆破試驗裝置

2 試驗要求及數據分析

2.1 試驗要求

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

在進行爆破試驗前，先對殼體進行0.3 MPa壓力檢漏，使用堵頭堵住測壓管，先進行預打壓，當壓力升至0.3 MPa時，觀察有無泄漏。試驗需進行溫度測量，因受到試驗條件限制，只進行了試驗件外部溫度測量。

2.2 試驗結果及分析

共進行了9臺試驗，試驗結果如表1所示。試驗結果中150℃溫度試驗因溫度過高，導致溫度片粘貼困難，只測量了2點溫度，而4#產品則是在試驗過程中溫度篇損壞導致溫度缺失。

表1 試驗結果

圖2 壓力隨溫度變化

從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，復合材料發動機承載能力呈明顯下降趨勢，當溫度達到150℃時，復合材料發動機承載能力僅相當于常溫的50%.究其原因是因為隨著溫度的升高，復合材料粘接劑粘為樹脂，高溫導致粘接劑性能下降，最終發動機承載能力下降。

2.3 試驗結論

本文對復合材料發動機高溫爆破性能進行了試驗研究。研究表明，隨著溫度的升高，復合材料發動機的承載能力呈下降趨勢，溫度對復合材料性能及粘接劑性能產生了較大影響，所以考慮發動機在飛行過程的外防熱技術非常有必要。

本文探討了一種高溫爆破試驗方法，在傳統試驗中，爆破試驗本身具有一定的危險性，同時，復合高溫試驗后，危險性加大。因溫度試驗加載方式一般為溫度箱加載，在溫度箱中進行爆破試驗會損壞試驗設備，所以，在設計試驗時，因試驗廠房及安全性的原因，一直未考慮進行高溫爆破復合試驗。

而在高溫爆破試驗中發現，高溫硅油在加熱中熱交換較快，溫度控制較為困難，同時，因熱油溫度較高，在操作過程中出現了一些失誤，導致部分測試數據丟失，所以，在后續試驗中需考慮操作熱防護及改進溫度控制方法。

3 展望

現階段，我國航天事業快速發展，產品更新換代的速度越來越快，試驗種類及試驗方法呈復雜狀態發展，在未來試驗發展中，如何能更加真實地模擬實際飛行狀態是近年來試驗發展的重要方向。在試驗發展中，越來越多的復合試驗加入到試驗方法中，未來的天地一致性試驗是試驗發展的必然，所以，研究多種復合工況試驗是非常有必要的，也是未來發展的方向。

［1］周錫儀.結構熱試驗技術［M］.北京：宇航出版社，1993.

［2］魏生道.結構靜力試驗技術［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，研究方向為發動機高溫爆破強度試驗。