固體火箭發動機的噴管是換能器,它将殼體内裝藥的化學能轉變為動能,裝藥燃燒後産生的高溫高壓氣體經收斂擴散從噴管以馬赫數為3.0~4.5超音速噴出,從而産生推力,推動火箭飛行。固體火箭噴管由于要承受高達3500℃的燃氣溫度,5~15MPa的壓力,且液、固體粒子沖刷,高溫燃氣的化學腐蝕,因而工作環境極為嚴酷。由于沒有冷卻系統,燃氣的高溫必須由其自身承擔,特别是喉襯部分工作環境最為惡劣,且要求其尺寸不能因燒蝕沖刷而變化。否則喉徑變大,壓力随之下降,而壓力下降,推力則下降,這是不能允許的。
在50年代的第一代噴管多采用高強石墨作為喉襯。在60年代以“民兵”導彈作為代表的噴管多采用鎢滲銅、滲銀材料作為喉襯。到了70年代末以MX導彈(圖1)為代表的噴管多采用C/C材料作為喉襯材料,而到了80年代由于C/C材料制造技術的進步,以三步叉戟導彈為代表,大部分戰略導彈都采用了C/C喉襯、C/C擴散段等材料。到了90年代C/C螺釘、C/C銷釘、C/C鎖片等C/C制品陸續應用于固體火箭的噴管。
C/C喉襯密度低,約為1.75~1.90g/cm3,與鎢滲銅喉襯相比為其的1/8~1/10(其密度為17.6g/cm3)。其可根據不同的要求進行設計,其斷裂因子為石墨的10~20倍,膨脹系數小,在2000~2400℃僅為4~5×10^-6/℃,導熱系數可根據密度調節,可耐3800~4000℃的高溫,抗氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體的腐蝕,在星角裝藥的發動機中喉襯燒蝕均勻,無腐蝕台階、凹坑,更可貴的是在2500℃以下随着溫度的升高強度上升,這是其它材料無可比拟的。
C/C喉襯的成型工藝有多種方法,如整體碳氈、碳布預氧氈疊層針刺、三維編織、四維軟硬混編、四向軟編、四向硬編等,其編織密度為0.6~0.9g/cm3,碳氈密度0.12~0.15/cm3。根據要求不同可預先設計編織體的各向纖維含量。
C/C喉襯的複合工藝有化學氣相沉積,液态樹脂瀝青浸漬、碳化,化學液氣相沉積。碳化方法有中壓碳化、高壓碳化。高溫處理方法有真空石墨化、充氣保護石墨化。這些方法可交義使用和循環使用,從而達到預定的熱物理、機械和動态燒蝕性能指标。
從事固體火箭發動機研制生産的國家從70年代初陸續采用了C/C喉襯。C/C喉襯的使用使發動機的沖質比、可靠性大幅度提高。同時從小尺寸的喉襯逐漸過渡到大型喉襯。一開始C/C喉襯内徑僅為60~80mm,主要用于星系小型發動機,進而達到中100~200mm。
到了90年代,以法國阿裡安5号為代表的固體火箭噴管大型C/C喉襯内徑尺寸達900mm,外徑達1060mm,說明具備了制備大型C/C喉襯的能力。作者在俄羅斯看到的C/C喉襯内徑達800mm,外徑1000mm,與法國水平相當。我國從70年代将C/C喉襯應用于固體火箭發動機。到目前為止,戰略導彈及大部分遠射程戰術導彈、星系發動機都使用了C/C喉襯,其性能與先進國家水平相近尚有差距。以1999年8月我國固體戰略導彈試飛成功為标志,說明差距已縮小。
以上這些C/C喉襯都使用了高于或相當于T300性能的碳纖維,多為3K、6KPAN基碳纖維。C/C喉襯對碳纖維的要求,不僅對強度、模量有要求且對碳纖維的斷裂伸長、含碳量有較高的要求。從提高喉襯抗熱震能力考慮,希望碳纖維有高的導熱系數和低的膨脹系數。
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