2000年第6期 产业用纺织品 39 碳/碳复合材料在推进系统上的应用 宋允任慕苏孙晋良(上海市纺织科学研究院,上海2008 摘要:本文介绍了碳/碳复合材料在固体发动机液体发动机和涡轮喷气发动机等推进系统上的应用。 关键词:推进系统,固体发动机,液体发动机,涡轮蒸汽发动机喷管,喉衬 和质量过重等缺点,而且喷管的可靠性始终是个 0前言 问题。CCC喷管喉衬应运而生,1963年~1971年 首先出现了第一代采用2DαCC材料的喉衬,随 碳/碳复合材料(αCC具有很好的力学性能、后又发展了高密度3D与4DCC喉衬,美国联合 热物理性能、抗烧蚀性能、抗磨损性能,特别是在』技术有限公司化学系统部硏制了一种3DCC并 高温下仍能保持良好的力学性能,是金属材料所在民兵Ⅲ酌第三级发动机上进行热试车,其中用 无法比拟的,因此在固体发动机、液体发动机、涡在整体喉衬入口段部位的CC体积质量已高达 轮喷气发动机及其他推进系统上获得广泛应用。1.92g/cm3。3D与4DαC材料完善地解决了喷 管可靠性差这一长期存在的问题。采用CCC材 固体发动机 料还使大型系统的设计得到简化,提高了预测性 能的能力及可靠性,可以控制表面形状,减轻重量 固体推进剂火箭发动机以固体燃料、固体氧10%,并降低生产成本。目前CCC喉衬已在空间 化剂及其他添加剂混合组成的固体火药作为推进体发动机、大型军事和地面运载火箭以及某些 剂,因此一般又可简称为固体火箭发动机或固体战术固体发动机上得到了广泛的应用,如:美国空 发动机。它的最大优点是结构简单,容易使用,操军“和平捍卫者”洲际弹道导弹所有使用的三级发 作可靠,适用性强,成本/效益比较低,因此在军事动机、美国海军“三叉戟Ⅱ”(D5)第一级与第二级 (战略与战术)和商业(地面发射与空间发射)推进发动机、US空间发动系统的第一级与第二级发 系统上应用广泛。固体发动机主要由燃烧室、喷动机、先进的IPSM空间发动机、法国“阿里安4 管、药柱和药柱支承装置四部分组成,其中喷管部和“阿里安5”。 分是固体发动机中工作条件最苛刻的部件之 民用火箭是CCCs的一个巨大的前景市场 因为固体发动机中燃烧的高温气体高速从喷管喷2D与3 D CCCS都已经广泛用于空间发动机,其中 出,喷管部位的温度高达3500℃,尤其是喉部处用于地面发射火箭上的巨型3 D CCC ITEs尤其引 于气流速度高达1马赫、60个气压的热环境中,人注意,已经制造出重达1820kg的 CCC ITEs。 因此需要采用耐烧蚀材料吸收大量的热,起到防αCIEs的比强度和比模量高,因此为了提高飞 止热传到内部结构的作用。CC是一种很好的抗船的运载能力,NASA起初计划在先进固体发动 烧蚀材料,因此已在固体发动机喷管上得到应用。机上采用3DIs,该规划后削减到一个发展工作 1.1喷管喉衬与整体喉衬入口段(简称IE 计划,随后整个计划被取消。但是法国SFP在 CCC在固体发动机喷管喉衬上的应用是它作“阿里安4”和“阿里安5”地面发射固体发动机上 为烧蚀材料的典型应用。以前喉衬大多采用高熔取得了显著的成就。“阿里安5”发动机的三级资 点金属、热解石墨、多晶石墨以及抗烧蚀塑料复合格飞行测试已完成,他们期望资格测试完全成功 材料,但是它们存在氧化速度过快、热结构缺陷多后能成批生产 201994-2010cHinaAcademicJournalElectronicPUblishingHouseaLlrightsreservedhttp:/hnnv.cnkiner© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 碳/ 碳复合材料在推进系统上的应用 宋 允 任慕苏 孙晋良 (上海市纺织科学研究院 ,上海 ,200082) 摘 要 :本文介绍了碳/ 碳复合材料在固体发动机、液体发动机和涡轮喷气发动机等推进系统上的应用。 关键词 :推进系统 ,固体发动机 ,液体发动机 ,涡轮蒸汽发动机 ,喷管 ,喉衬 0 前言 碳/ 碳复合材料(CCC) 具有很好的力学性能、 热物理性能、抗烧蚀性能、抗磨损性能 ,特别是在 高温下仍能保持良好的力学性能 ,是金属材料所 无法比拟的 ,因此在固体发动机、液体发动机、涡 轮喷气发动机及其他推进系统上获得广泛应用。 1 固体发动机 固体推进剂火箭发动机以固体燃料、固体氧 化剂及其他添加剂混合组成的固体火药作为推进 剂 ,因此一般又可简称为固体火箭发动机或固体 发动机。它的最大优点是结构简单 ,容易使用 ,操 作可靠 ,适用性强 ,成本/ 效益比较低 ,因此在军事 (战略与战术) 和商业(地面发射与空间发射) 推进 系统上应用广泛。固体发动机主要由燃烧室、喷 管、药柱和药柱支承装置四部分组成 ,其中喷管部 分是固体发动机中工作条件最苛刻的部件之一。 因为固体发动机中燃烧的高温气体高速从喷管喷 出 ,喷管部位的温度高达 3 500 ℃,尤其是喉部处 于气流速度高达 1 马赫、60 个气压的热环境中 , 因此需要采用耐烧蚀材料吸收大量的热 ,起到防 止热传到内部结构的作用。CCC 是一种很好的抗 烧蚀材料 ,因此已在固体发动机喷管上得到应用。 111 喷管喉衬与整体喉衬入口段(简称 ITE) CCC 在固体发动机喷管喉衬上的应用是它作 为烧蚀材料的典型应用。以前喉衬大多采用高熔 点金属、热解石墨、多晶石墨以及抗烧蚀塑料复合 材料 ,但是它们存在氧化速度过快、热结构缺陷多 和质量过重等缺点 ,而且喷管的可靠性始终是个 问题。CCC 喷管喉衬应运而生 ,1963 年～1971 年 首先出现了第一代采用 2D CCC 材料的喉衬 ,随 后又发展了高密度 3D 与 4D CCC 喉衬 ,美国联合 技术有限公司化学系统部研制了一种 3D CCC 并 在民兵 Ⅲ的第三级发动机上进行热试车 ,其中用 在整体喉衬入口段部位的 CCC 体积质量已高达 1192 g/ cm 3。3D 与 4D CCC 材料完善地解决了喷 管可靠性差这一长期存在的问题。采用 CCC 材 料还使大型系统的设计得到简化 ,提高了预测性 能的能力及可靠性 ,可以控制表面形状 ,减轻重量 10 % ,并降低生产成本。目前 CCC 喉衬已在空间 固体发动机、大型军事和地面运载火箭以及某些 战术固体发动机上得到了广泛的应用 ,如 :美国空 军“和平捍卫者”洲际弹道导弹所有使用的三级发 动机、美国海军“三叉戟 Ⅱ”(D25) 第一级与第二级 发动机、IUS 空间发动系统的第一级与第二级发 动机、先进的 IPSM 空间发动机、法国“阿里安 4” 和“阿里安 5”。 民用火箭是 CCCs 的一个巨大的前景市场 , 2D 与 3D CCCs 都已经广泛用于空间发动机 ,其中 用于地面发射火箭上的巨型 3D CCC ITEs 尤其引 人注意 ,已经制造出重达 1 820 kg 的 CCC ITEs。 CCC ITEs 的比强度和比模量高 ,因此为了提高飞 船的运载能力 ,NASA 起初计划在先进固体发动 机上采用 3D ITEs ,该规划后削减到一个发展工作 计划 ,随后整个计划被取消。但是法国 SEP 在 “阿里安 4”和“阿里安 5”地面发射固体发动机上 取得了显著的成就。“阿里安 5”发动机的三级资 格飞行测试已完成 ,他们期望资格测试完全成功 后能成批生产。 2000 年第 6 期 产业用纺织品 — 39 —