Химическая эрозия вставок сопел из тугоплавких металлов в ракетных двигателях на твердом топливе

Разработана и апробирована интегрированная теоретико-численная модель для исследования химической эрозии вставок сопел из тугоплавких металлов (вольфрама, рения и молибдена) в условиях работы ракетных двигателей на твердом топливе, при этом основное внимание уделено вольфраму. Модель учитывает многокомпонентную термогазодинамику газовой фазы, гетерогенные реакции на поверхности, перенос энергии в твердой фазе и свойства материала сопла. Рассмотрены типичные продукты сгорания неметаллизированных топлив на основе перхлората аммония и полибутадиена, отвержденного гидроксильными группами, при практически реализуемых режимах работы двигателя. Проведено сравнение скоростей эрозии, рассчитанных с использованием трех различных наборов кинетических данных, опубликованных в литературе для реакции вольфрама с водяным паром. Также исследовано влияние выбора одного из двух оксидов вольфрама, WO2 или WO3, в качестве конечного продукта поверхностных реакций. Расчетные скорости эрозии хорошо согласуются с экспериментальными данными. Окисляющий компонент H2O оказался более опасным, чем CO2, с точки зрения эрозии вольфрамового сопла. Скорость убыли материала определяется гетерогенной химической кинетикой, поскольку диффузионный предел не достигается. Скорость эрозии возрастает с увеличением давления в камере, главным образом вследствие усиления конвективного теплообмена и гетерогенных поверхностных реакций. Вольфрамовое сопло эродирует значительно медленнее графитового, однако скорость его эрозии сопоставима со скоростью эрозии рениевого сопла. Молибденовое сопло характеризуется наименьшей эрозией при температурах пламени ниже 2860 K. Однако его низкая температура плавления (2896 K) ограничивает применение с топливами, имеющими высокую температуру пламени.