本文来源于《固体火箭发动机喷管热结构仿真分析研究》、李锋锐、2025年大连理工大学硕士学位论文

喷管材料在高温环境下的烧蚀行为涉及复杂的物理和化学变化，其中碳基材料（石墨和碳/碳）常用作固体火箭发动机的喷管材料。固体火箭发动机工作时，喷管持续承受高温高压气流作用，同时受到化学反应烧蚀和凝相粒子的侵蚀作用，引起碳基材料的损失，导致喷管型面退移。因此其数值模拟需要考虑多种因素的影响，其中包括流体动力学模型、热传导耦合模型、材料退移模型等，是复杂的多场耦合过程。

在材料烧蚀机理方面的研究，国内外取得了一系列成果。Delaney 等人提出热化学烧蚀速率控制机制，研究认为喷管化学烧蚀主要受化学动力学和组分扩散控制。烧蚀过程的控制机制取决于动力学速率与扩散速率的相对大小：当动力学速率高于扩散速率时，烧蚀过程受扩散控制；反之，当动力学速率低于扩散速率时，烧蚀过程则由动力学控制[60, 61]。Kuo 等人提出了一种综合的理论控制模型，用于预测固体火箭发动机中 C/C 复合材料喷管的烧蚀率。该模型结合了化学动力学和扩散效应，分析了喷管表面的退移过程。研究发现，随着喷管表面温度升高，烧蚀率逐渐由化学动力学控制变为扩散过程主导[62]。Thakre 和 Yang 等人发现 H₂O 是主要烧蚀因素，烧蚀率随燃烧室压力增加而上升。非金属化推进剂的侵蚀由化学动力学主导，金属化推进剂则由扩散控制，铝含量增加会降低侵蚀率，研究通过试验验证了控制模型准确性[63]。张斌等人基于 H₂O、CO₂ 与 C 之间的异相化学反应，综合考虑了壁面温度和燃气氧化组分浓度对烧蚀率的影响，提出了判别烧蚀控制机制的新方法[64]。

此外，国内外的研究利用试验分析了影响喷管烧蚀过程的因素。Evans 等人通过设计和测试固体火箭发动机模拟装置，研究了氧化性产物（如 H₂O、OH、CO₂）对 G-90 石墨喷管喉衬化学侵蚀率的影响。试验中使用实时 X 射线成像测量喷管喉衬的瞬时轮廓，结果表明在相对较低压力下喷管喉衬侵蚀率显著，并提出了一些改进喷管设计和提高其抗烧蚀性能的建议[65]。陈博等人深入分析了 3D C/SiC 复合材料喷管的烧蚀规律。研究表明，该材料在高温环境下具有优异的抗烧蚀性能，能够有效抵抗高温燃气的侵蚀，保持喷管的结构完整性。通过优化材料的微观结构和制备工艺，进一步提高了其抗烧蚀性能，为小型固体火箭发动机喷管的设计和应用提供了理论依据和技术支持[66]。苏君明等人通过地面点火试验，研究了喷管热环境的燃气特性、燃烧室压强对碳基材料喉衬烧蚀率的影响。试验采用多种规格的固体火箭发动机，测试了碳/碳复合材料石墨喉衬的平均烧蚀率，C/C 喉衬烧蚀面 SEM 形貌如图 1 所示[67]。

随着计算机水平的提高，学者开始进行流场和固体区域耦合计算，而非直接通过巴兹公式给定壁面热流参数[68]。Thakre 等人研究了固体火箭发动机工作过程中石墨喷管材料的烧蚀。研究结果表明，喷管表面温度、氧化性气体向表面扩散的速率以及发动机边界条件是决定烧蚀过程的重要因素，其中喷管喉部的侵蚀最为严重，侵蚀率随燃烧室压力的增加而增加[69]。Bianchi 等人预测了固体火箭发动机中石墨/碳-碳喷管的热化学烧蚀行为。研究结果表明，喷管的侵蚀率受壁面温度、氧化性气体浓度和异质化学动力学的共同影响，且与试验数据对比吻合良好[70]。张晓光等人基于热化学烧蚀理论建立了喷管传热烧蚀的二维轴对称气-固-热耦合计算模型，通过 FLUENT 壁面化学反应模型完成计算，结果表明 H₂O 是决定烧蚀的主要氧化性组分[71]。

对于喷管材料烧蚀边界移动问题，国内外也进行了一系列研究。Kendall 等人研究了化学反应边界层与烧蚀材料之间的耦合关系。采用有限差分法求解了考虑表面化学和能量平衡的烧蚀材料内部响应问题，揭示了表面化学反应和能量平衡对烧蚀材料内部热响应的影响[72]。Lachaud 等人研究了 3D C/C 复合材料在氧化条件下的稳态烧蚀行为，建立了考虑表面化学和能量平衡的数学模型，通过分析烧蚀过程中的表面粗糙度演变和型面退移，揭示了烧蚀材料在高温环境下的热化学烧蚀机制[73] 。针对碳/碳复合材料在高温环境下的烧蚀行为，秦飞等人研究了四向 C/C 复合材料及其组分（纤维和基体）在高温 CO₂气氛下的氧化动力学和机制，并提供了氧化反应的动力学参数[74]。王臣等人通过电弧等离子体射流实验研究了碳/碳复合材料的烧蚀行为，并建立了表面烧蚀模型[75]。尹甜甜等人提出了一种考虑非均匀温度和压力影响的化学烧蚀模型，并模拟了碳/碳复合材料前缘结构的表面烧蚀[76]。孟松鹤等人开发了一种多物理场耦合方法，用于模拟碳/碳复合材料在高超声速再入环境中的流体/热/烧蚀行为[77]。上述研究从材料烧蚀内部机理出发，模拟了实际烧蚀工作过程中的壁面退移。

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