王策

魏叔如

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

第 容 第 期年 月空 气 动 力 学 学 报人 人 人,。玻璃纤维增强泰氟隆烧蚀理论魏叔如 王 策中国科学院力学研究所 , 北京 邮政编码摘要 本文给出了 玻璃纤维增强 泰氟隆材料的理论模型和计算方法 。 得到了 有液层机械流失的传质参数的关联公式 , 利用此公式可对此材料的驻点与非驻点烧蚀性能进行预测 。关键词 烧蚀理论 , 玻璃纤维 , 泰氟隆 。符 号公丫月 , 常数厂 二 爪 二 。 。刀岛二 爪 二 亡 。 二 。二 病 , 。 。 、·汽。‘ 艺组元中 元素的原子数、 组元质量分数又、 凡 元素总质量分数, 、 组元生成反应的平衡常数爪 质量流率、 组元分子量烧蚀速率组元摩尔分数塑料热扩散率泰氟隆质量分数下标边界层外缘‘组元元素液态层壁面引 言玻璃纤 维增强泰氟隆 即玻璃纤维增强聚四氟乙烯 , 俗称硅氟四 , 是一种较新型的烧蚀材料 。 它既保留了泰氟隆低温烧蚀和亲电子特性 , 又有玻璃纤维的增强 , 使其烧蚀和机械特性得到提高 , 是高性能弹头天线窗和中近程弹头或雷达罩防热的理想材料 。 在国外 , 虽然作为高级弹头的天线窗材料已使用多年 仁, , 但却没有相应的烧蚀理论 , 实验数据也不多见 。 本文建立了烧蚀理论模型并发展了相应的烧蚀理论 。一 、 理论模型纯泰氟隆是低温热解升华型材料 , 烧蚀表面的后退由其热解动力学控制 , 后退率表示为〔’〕本文于 年 月 日收到 , 月 日收到修改稿 。空 气 动 力 学 学 报 年 第 卷口 ‘三左鱼塑卫匕里丛里业 令万 厂 八一奋 二一 一 一 下 二 立 “六 。 、、 二纯玻璃是高温熔化蒸发型材料 , 烧蚀表面的后退 ,作用下的流失与表面蒸发控制 , 后退率可表示为〔’〕,己乡口 ‘ 口 三业 丫 一 不占由熔化后形成的溶态层在气动力拼占 几 四 一 。 一 , 一 ,拼 二 一 , 二 。由于泰氟隆的热解温度远低于玻璃纤维的熔化温度 , 因此当硅氟四受热后 , 其中的泰氟隆先热解成气体 , 随着热解向深部推进 , 在烧蚀表面留下的玻璃纤维残渣熔化后形成液态层 , 即硅氟四的烧蚀可以看作是深部有气体逸 出的玻璃类材料烧蚀 。由于液态边界层方法在处理非驻点烧蚀时非常复杂 , 文献〔 〕在预测 热防护烧蚀性能时 , 曾通过对实验数据的分析和关联得到适用于硅 酚醛塑料烧蚀的传质参 数关联公式侧 。 一 。 二二 , 。二但迄今还没有可用的硅氟四烧蚀的实验数据 , 因此不能从实验得到类似的公式 。 然而由于玻璃纤维含量较高时 , 在驻点将肯定形成连续的液态层 , 而对于驻点液态层烧蚀的计算 , 则已有许多较成熟的方法 〔’, ‘ 〕, 因此本文利用驻点烧蚀计算结果的关联来得到类似的公式 , 然后再利用所得公式预测非驻点的烧蚀参数 。二 、 传递系数传递系数法可使烧蚀计算与气体边界层计算解祸 。 传递系数有传热 口 , 和传质自 , 系数 , 分别由壁面热流 〔一 二 〕和 元素扩散质量流 一 了、 定义〔一 二 〕 。 。 , , 一 。。 户。 。 打 。 , 一 ,一了 二 一户。。 、 万 , 一 人。其中 , 。 是非烧蚀热流 。 文献〔 , 〕根据化学反应边界层和烧蚀祸合计算结果 ,, 与 进行关联 , 关联公式为〔’〕,了 之二 后用 , , , ,。 。 , ‘ 二 一之二 台 吕“ 一 、八、子毛一第 期 魏叔如、 主 策 玻璃纤维增强泰氟隆烧蚀理论 夕。 世型八 。兰一一。 丛,月月 。上述 关联公式 ,合 。一 一 一 云十 乙’ 么一 ‘我们已作过修改 , 使其与文献〔 〕中图 的泰氟隆祸合计算结果更符三 、 烧蚀体内的质量和能最平衡由图 的烧蚀表面元素质量平衡有爪 万 、 爪 ,万 一 了 一 病蕊 。 一 病 二 。将 代人并考虑到无凝相反应 , 万一万 有叉 。 一 · 十 旦 工叉 ‘ 叉 “ 十“ ”由烧蚀体内和烧蚀表面的能量平衡 图 有〔一 。 」一 爪 二 口一 一 爪 爪 , 一 。其中 , “一 , “ , “ 一 , ”,, “一 。 尸 · 丁 ““二 一 “ ,, “ ,‘口““分另“为泰氟隆和玻璃纤维的生成焙 。 将其与方程 一起代人 式有, ,石片二 一 口 以 月, ”“ 。 一一 , 。。 , 一也、 、 、 一 。二夕 ,一 叮, 。 。 , , 。 , 一 口上述方程中 , 烧蚀表面混合气体焙八。为。, 一军 、、“‘ ,二 一军 , ‘ “ ,它与壁面气体成分有关 。 根据所论问题性质 , 考虑了 , , , , , , , ,, , , , , , , ,, , , 及 , 和 等共 个组元 , 经计算表明 , 玻璃纤维蒸发的影响极小 , 故在以后的计算中就不再考虑 , 而确定 个气体成分的计算方程是元素守恒 个万枷 一箫军,尤 、山 图 烧蚀体内的元素质量与能量平衡化学平衡关系 个了 空 气 动 力 李 学 报 夕 年第 卷,, 一 尤 ‘ · ‘务“一 ‘ ’早、、 ‘厉。 一 艺 ‘功 ‘四 、 计算方程综上所述 ,或 ,硅氟四材料烧蚀参数的计算问题 , 可以在数学上归结为由方程, 个 , , , 个 和 等〔或个方程求解 ,‘, 了’ , 万。 个 , ‘ 个 , 厉 , 和 气等 个未知量的问题 , 方程一经求解 , 其它参数可由相应关系直接求得 。五 、 算例 、 计算结果关联及分析本文对一饨锥体在再人轨道下进行了计算 , 图 一 是部分结果 。硅氟四材料的烧蚀率在所有飞行高度上都比纯泰氟隆 和 纯高硅氧低 图 , 壁温则相反 图 。 由于硅氟四的烧蚀率随泰氟隆的含量 夕 , 增高而降低 图 , 因此 ,,二日 只几 门 阴一纯泰氟隆 一纯高硅氧 一按方程 计算的硅氟四 一按液态层模型计算的硅氟四一按方程 计算的硅氟四图 驻点烧蚀率随高度的变化一纯泰氟隆 一纯高硅氧 一按方程 计算的硅氟四 一按液态层模型计算的硅氟四一按方程 计算的硅氟四图 驻点壁温随高度的变化爪 昌某一个 , , 值时 , 烧蚀率将达到最低 , 这与文献 〔 〕的实验结果一致 。适用于硅 酚醛烧蚀的关联公式 , 不能直接用来关联硅氟四烧蚀的计算结果图 , , 但通过大量计算 , 却得到了与其形式相似的关联公式忿·, 二 一 。 ,百 。 一刀 一 夕全·,上述的关联公式有很高的精度 , 用它算出的烧蚀率 爪 , , 一般情况下 , 误差不大于, 壁面温度的误差小于 编 图 、 、 。第 期 魏叔如、 王 策 玻璃纤维增强泰氟隆烧蚀理论 夕公式 和 分别由实验和理论结果关联得到 , 尽管对不同的烧蚀材料 , 系数不同 , 但却有相同的形式 有液态层的机械流失 , 因此有理由认为 , 凡是在烧蚀中有液态层机械流失的材料 , 其烧蚀传质参数均可用这一形式的公式去关联 , 从而 , 为这类材料的非驻点烧蚀预测提供了简便可靠方法 。 图 是用公 式 计算的硅 氟四烧蚀率沿物面的分布 。,肥卜址好了川川习方程称 。计算点。一⋯方程 气尹只’ 冲喘一,‘一一 一土一 一一 』〕乃图 烧蚀率随泰氟隆含量的变化和计算结果用丑 , 。 · 进行关联,名 ’ 。 · ‘图 烧蚀率沿物面的分布是飞七参 考 文 献门曰匕。, ,,, , , 。,二, , , 、 一魏叔如 玻璃纤维增强塑料烧蚀理论 空气动力学学报 , , 。一二 一 一 , ,咬, 一 一 主 飞, 一 ,。一 一 ,空 气 动 力 学 学 报 年 第 卷己 瓦 儿 , ” 云儿、, ,

玻璃纤维增强泰氟隆烧蚀理论

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玻璃纤维增强泰氟隆烧蚀理论

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