发动机高温爆破试验研究

田振宇，何晓勃，张茹远

（中国航天科技集团公司第四研究院四O一所，陕西西安710025）

发动机高温爆破试验研究

田振宇，何晓勃，张茹远

（中国航天科技集团公司第四研究院四O一所，陕西西安710025）

本文提出了一种新型复合试验方法——高温爆破试验，主要应用于复合材料发动机试验领域。通过对发动机模拟件进行试验，可获得复合材料在高温下的力学性能。在高温下，复合材料发动机主要是粘接剂和复合材料的软化造成材料力学性能下降，通过高温爆破试验获得材料性能随温度变化的规律，对发动机设计提出了指导意见。

高温爆破；复合材料；加热系统；内压加载

复合材料发动机在飞行过程中，由于受到内部点火高温及大气的摩擦及阻碍等因素的影响，会使复合材料发动机承受内外热载荷，发动机内部有高温绝热层，而发动机外部无外防热涂层，热载荷会使复合材料发动机粘接剂高温软化，承载能力降低，对壳体性能造成影响。因此，对发动机在高温条件下的粘接剂性能试验研究，是设计复合材料发动机的关键技术之一。

考核发动机粘接剂高温性能，只要对发动机加载至工作温度，同时进行力学性能试验即可考核出粘接剂高温性能。目前，模拟热载荷试验方法主要为辐射热加热试验方法，采用石英灯作为加热元件，技术较为成熟。

本文主要提出了另一种高温载荷试验方法，即高温爆破试验，传统爆破试验主要考核发动机在点火后承受的内压载荷，使壳体在飞行时不因药柱能量过大导致壳体发生解体，试验时均在常温下进行。设计时，只考虑了药柱燃烧温度而进行了内防热，无防热涂层，同时，即使有内防热也无可靠资料能证明具有内防热效果。而高温爆破试验对试验产品进行了内外同时加热，使试验条件真实模拟飞行受热，试验后可模拟出真实受热情况下产品的爆破承载能力。

1 试验原理及方法

1.1 试验原理

高温爆破试验技术是一种在地面考核复合材料发动机的高温承载能力试验技术。高温爆破试验区别于传统热试验方法是加热方式的不同，高温爆破试验主要采用高温硅油作为加热介质。高温硅油具有高度导热性、耐高低温性、疏水性、热稳定性等优良特性，高温硅油即使加载至300℃时性能依然稳定，不会冒烟或挥发出难闻气味，因此，加载介质采用高温硅油。

试验时对高温硅油进行加载，加热后将高温硅油注入试验件内，并将试验件安装于加热筒内部，对试验件进行硅油补偿，保证试验件内部温度到达指定温度后封闭出入口进行爆破试验。

1.2 高温爆破试验装置

在爆破试验时，先将高温硅油加热至爆破试验温度，当达到试验温度后，打开高温阀门并使用加压泵将高温硅油注入试验件内，在试验件内高温硅油注满之后关闭排气管并打开排油管，观察试验件内高温硅油温度，通过排油管排出已冷却的高温硅油，待试验件内高温介质达到目标温度后，关闭排油管，使用打压管进行爆破试验。高温爆破试验装置如图1所示。

图1 高温爆破试验装置

2 试验要求及数据分析

2.1 试验要求

正式试验要使试验件内充满高温油，加热筒内的高温油，使其达到相应的温度（温度为常温、100℃、150℃），加热筒内温度要比要求温度稍高，补偿在流动中的温度损失；打开进油管的高压阀门灌油，在试验件充满高温硅油后继续进油，最终使筒段中部内外壁各象限温度达到指定温度，要求温差小于等于5℃。

在进行爆破试验前，先对壳体进行0.3 MPa压力检漏，使用堵头堵住测压管，先进行预打压，当压力升至0.3 MPa时，观察有无泄漏。试验需进行温度测量，因受到试验条件限制，只进行了试验件外部温度测量。

2.2 试验结果及分析

共进行了9台试验，试验结果如表1所示。试验结果中150℃温度试验因温度过高，导致温度片粘贴困难，只测量了2点温度，而4#产品则是在试验过程中温度篇损坏导致温度缺失。

表1 试验结果

图2 压力随温度变化

从图2中可以看出，随着温度的升高，复合材料发动机承载能力呈明显下降趋势，当温度达到150℃时，复合材料发动机承载能力仅相当于常温的50%.究其原因是因为随着温度的升高，复合材料粘接剂粘为树脂，高温导致粘接剂性能下降，最终发动机承载能力下降。

2.3 试验结论

本文对复合材料发动机高温爆破性能进行了试验研究。研究表明，随着温度的升高，复合材料发动机的承载能力呈下降趋势，温度对复合材料性能及粘接剂性能产生了较大影响，所以考虑发动机在飞行过程的外防热技术非常有必要。

本文探讨了一种高温爆破试验方法，在传统试验中，爆破试验本身具有一定的危险性，同时，复合高温试验后，危险性加大。因温度试验加载方式一般为温度箱加载，在温度箱中进行爆破试验会损坏试验设备，所以，在设计试验时，因试验厂房及安全性的原因，一直未考虑进行高温爆破复合试验。

而在高温爆破试验中发现，高温硅油在加热中热交换较快，温度控制较为困难，同时，因热油温度较高，在操作过程中出现了一些失误，导致部分测试数据丢失，所以，在后续试验中需考虑操作热防护及改进温度控制方法。

3 展望

现阶段，我国航天事业快速发展，产品更新换代的速度越来越快，试验种类及试验方法呈复杂状态发展，在未来试验发展中，如何能更加真实地模拟实际飞行状态是近年来试验发展的重要方向。在试验发展中，越来越多的复合试验加入到试验方法中，未来的天地一致性试验是试验发展的必然，所以，研究多种复合工况试验是非常有必要的，也是未来发展的方向。

［1］周锡仪.结构热试验技术［M］.北京：宇航出版社，1993.

［2］魏生道.结构静力试验技术［M］.北京：宇航出版社，1988.

〔编辑：张思楠〕

TG454

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.111

2095－6835（2017）14－0111－02

田振宇（1985—），男，研究方向为发动机高温爆破强度试验。