CN101382533B - 真空条件下火药燃烧特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空条件下火药燃烧特性测试装置，主要包括燃烧室、真空泵、电加热器、热电偶、高速摄像仪及数据采集处理系统。真空泵为燃烧室提供真空环境；通过控制电加热器的加热电流和加热时间，就可以为燃烧室内的被测火药样品提供不同的点火恒温环境；数据采集处理系统采集被测火药样品燃烧时热电偶产生的试验数据和高速摄像仪拍摄的火药燃烧图像，并经过相应的处理和计算最终获得被测火药样品的燃烧特性。本发明既可用于不同真空条件下火药燃烧速度、燃烧表面温度以及燃烧热量等参数的测量，也可用于不同真空条件下火药燃烧产物的产生与收集。本发明的突出优点是，集成度高，一次测量可获得多种参数，试验费用低。

Description

真空条件下火药燃烧特性测试装置

技术领域

本发明属于火炸药技术领域，主要涉及一种火药燃烧特性测试装置，尤其涉及一种真空条件下的火药燃烧特性测试装置。

背景技术

火药的燃烧特性是火药的基本性能之一，它是通过火药的燃烧速度和燃烧温度来表征的。测量火药燃烧速度的方法目前有靶线法、超声波法等。靶线法是通常采用的一种测试方法，采用该方法的测量装置主要用于测量不大于30MPa压力下的火药燃烧速度。该装置主要包括燃烧室、氮气增压系统和通断信号记录系统。燃烧室是特殊钢制的圆柱耐压容器，内有试验样品和一定量的惰性气体--氮气；氮气增压系统通过增压泵和氮气供给储存罐为燃烧室提供所需要的压力；通断信号记录系统通过记录火药某一燃烧时刻预先放置在火药样品中的熔断丝被熔断的时间点，从而获得两个熔断丝之间的时间间隔。超声波法也是通常采用的一种测试方法，采用该方法的测试装置是通过火药在液体介质中燃烧时产生的超声波，以这种声发射信号的变化反映火药燃烧速度的变化。该装置主要测量不大于30MPa压力下的火药燃烧速度。该试验装置主要包括燃烧室和声发射信号测试系统。燃烧室是特殊钢制的耐压容器，内充满液体介质(通常是水)，燃烧室的压力由液压泵供液来保证，高压水管上安装压电测压器来检测火药燃烧引起的介质压力波动；声发射信号测试系统含有声发射传感器、滤波前置放大器、数据记录仪，声发射传感器安装在燃烧室外侧壁。该测试系统记录声发射与时间曲线、燃烧室介质压力与时间曲线。以上两种测试装置均是测量火药在0.1MPa～30MPa压力内的 火药燃烧速度，不同之处是采用记录时间的手段不同。靶线测量装置测量得到燃速是平均燃速，不能记录测量过程的异常燃烧现象，而且存在靶线熔断时间滞后的问题。超声波测量装置虽然可以测量得到火药的瞬态燃烧速度，但是不能直观地观测到火药的燃烧情况，需要进行分析判断。

火药燃烧温度的测量是指测量火药燃烧表面(即火药燃烧层)的温度和燃烧火焰的温度，目前的测量方法有接触式测量法即热电偶法，以及非接触式测量法即发射-吸收光谱法、激光喇曼光谱法、红外摄像法等。热电偶法测量的火药燃烧温度需要燃烧室和直径小(1μm～30μm)、响应时间短(几毫秒)的热电偶金属丝。非接触式测量法需要带透明窗燃烧室(透过一定波段的光)和相应的光谱分析仪，通过燃烧光谱的变化来反映燃烧温度。上述几种测量方法均是在大于0.1MPa(1个大气压)的环境下进行的，均没有涉及火药在真空状态下燃烧温度测量装置。

火药燃烧过程是复杂的物理化学的自催化分解过程。经典的火药多阶段燃烧理论将火药燃烧过程分为3个区(即凝聚相反应区、气相烟雾区和气相反应区)或5个区(即固相加热区、凝聚相反应区、混合相区或嘶嘶区、暗区以及火焰区)，虽然划分区间不同，但是燃烧历程是相似的，其共同的特点是在真空及低压(压力小于1MPa)燃烧时只有凝聚相反应区。在凝聚相的燃烧反应中，固相与其表面反应区的热量和温度的变化是研究凝聚相反应区的关键参数。因此建立在真空条件下火药的燃烧特性测量装置，可以很容易地了解火药表面反应区的热量与温度之间的变化规律，为研究火药凝聚相反应区的变化规律提供基础理论和数据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有火药燃烧测量装置只能测量高于大气压下火药燃烧特性的单一特性量(燃烧速度或燃烧温度)的不足，提供一种真空条件下火药燃烧特性测试装置，该装置能够在真空及低压条件下同时对火药的燃烧速度、表面温度以及燃烧热量进行测试。

为解决上述技术问题，本发明提供的测试装置包括带有观察窗的燃烧室、热电偶、真空泵、氮气瓶、电加热器、电点火器、点火电极、数据采集处理系统、高速摄像仪，所述真空泵通过管道与所述燃烧室相连并为燃烧室提供真空环境，所述氮气瓶通过相应管道、阀门和第一压力表与燃烧室相连，被测火药样品放在燃烧室内的支架上，所述电加热器放置在所述燃烧室内并为燃烧室的被测火药样品提供所需的点火恒温环境，所述点火电极位于燃烧室内并与被测火药样品的燃烧端面接触，所述电点火器位于所述燃烧室外部并通过第一组导线与点火电极相连，所述热电偶的一端插在被测火药样品中，另一端通过第二组导线与所述的数据采集处理系统相连；所述高速摄像仪位于所述观察窗的外部并通过数据线与所述数据采集处理系统连接，高速摄像仪经过所述观察窗对准被测火药样品并拍摄被测火药样品的燃烧过程；所述的数据采集处理系统为装有测试软件包的计算机系统，所述测试软件包含有参数设置模块、数据采集模块、存储模块、图形化模块、火药燃烧速度计算模块、火药表面温度计算模块、火药燃烧热量计算模块、系统管理模块：参数设置模块的功能是接收键盘输入的相关测试参数；数据采集模块的功能是采集所述热电偶产生的热电动势随时间变化的试验数据和所述高速摄像仪输出的图像信息数据；存储模块的功能是将所述试验数据、图像信息数据分别存储到存储器中的相应数据文件中；图形化模块的功能是以热电动势与时间的关系曲线形式显示所述的试验数据；火药燃烧速度计算模块的功能是根据所述图像信息数据获得被测火药样品的燃烧时间并计算被测火药样品的平均燃烧速度；火药表面温度计算模块的功能是将热电动势与时间的关系曲线转换为温度与时间的关系曲线并依据表面温度分布计算公式计算被测火药样品的燃烧表面温度分布；所述火药燃烧热量计算模块的功能是依据热量公式计算被测火药样品燃烧层的燃烧热量；系统管理模块的功能是完成用户管理和输出试验报表。

根据本发明，所述燃烧室内的真空度为200Pa～1×10⁵Pa。

根据本发明，所述的电加热器含有四个200W的加热丝并分别固定在四根立柱上，所述四根立柱均匀分布在燃烧室1内的四个周边处。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明提供的火药燃烧特性测试装置集火药燃烧速度、火药表面温度以及火药燃烧热量这三种测量为一身，与现有技术相比，既实现了对火药燃烧表面热量的测量，又有效地利用了共享资源，节约了科研经费。

(二)本发明采用真空泵和相应的密封措施以及压力调节措施，使燃烧室达到200Pa～1×10⁵Pa的真空环境，确保了火药在不同真空环境中稳定地燃烧，为研究火药在高空及太空环境下的燃烧特性及规律提供了一种有效的手段。

(三)通过设置电加热器使燃烧室加热并保持在一个合适的温度，从而保证了火药样品能在真空条件下稳定地点火和燃烧，并使试验可靠进行。

附图说明

图1是本发明真空条件下火药燃烧特性测试装置的组成示意图。

图2是图1中所示的燃烧室外形示意图。

图3是图1中所示数据采集处理系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本发明的优选实施例包括带有观察窗的燃烧室1、热电偶2、真空泵12、电加热器4、电点火器7、点火电极5、高速摄像仪6、氮气瓶9、数据采集处理系统14。燃烧室1是由钟形罩1-1和底板构成的体积大约为30L的空腔体(参见图2)，钟形罩1-1用金属焊接而成，底板由厚金属板加工而成。钟形罩1-1的顶面和其中三个侧面均设有观察窗1-11，以便试验人员观察火药燃烧反应的整个过程。观察窗1-11由窗框、耐高温强化玻璃1-12、 橡胶密封垫圈1-13构成，耐高温强化玻璃1-12镶嵌在窗框内并通过橡胶密封垫圈1-13密封，四个观察窗1-11的窗框通过沉头螺钉1-14分别与钟形罩1-1的顶面及三个侧面固连。钟形罩1-1的另一个侧面上设有把手1-2和下绞链1-3，以便试验人员在试验开始和结束后将钟形罩1-1打开，进行被测火药样品3的安装与清理。钟形罩1-1和底板通过橡胶密封垫圈来密封，并通过真空泵12来达到所需的真空压力。真空泵12选用型号为2XZ-4型旋片真空泵并通过相应管道、阀门和真空表13与燃烧室1的底部相连，该真空泵12可为燃烧室1提供200Pa～1×10⁵Pa的真空环境，真空表13用于显示和监控燃烧室1内的真空压力。氮气瓶9通过相应管道、阀门和第一压力表8与燃烧室1相连，为燃烧室1提供一定量的惰性保护气体，并用于调节燃烧室1内的压力。燃烧室1还通过相应管道、第二压力表10与放空阀门相连。第一压力表8用于显示和监控进入燃烧室1中的氮气压力，第二压力表10用于显示和监控燃烧室1试验过程的压力。为了保证火药在真空条件下的正常燃烧，本优选实施例的电加热器4含有四个200W的加热丝并分别固定在四根立柱上，四根立柱均匀地分布在燃烧室1内的四个周边处。通过控制电加热器4的加热电流和加热时间，就可以使燃烧室1达到不同的点火恒温环境，上述三者之间的对应关系见表1。被测火药样品3垂直放在燃烧室1内的支架上，电点火器7位于燃烧室1的外部，通过第一组导线与点火电极5相连，点火电极5上连有镍铬金属点火丝，并与被测火药样品3的顶端接触，当点火电极5通电时可点燃被测火药样品3。热电偶2由铜丝和镍丝焊接而成，其一端插在被测火药样品3中，另一端通过第二组导线与数据采集处理系统14相连。高速摄像仪6和光源11均放置在燃烧室1的外部，并且分别正对两个相对的观察窗1-11。高速摄像仪6的镜头对准被测火药样品3，其拍摄速度为1000幅/秒～20000幅/秒，并通过数据线连接到数据采集处理系统14的端口上，光源11为500W的灯泡并对准被测火药样品3照射，以便高速摄像仪6能清楚地拍摄到被测火药样品3的燃烧过程。

表1加热电流及加热时间与燃烧室温度的关系

数据采集处理系统14为装有采集卡、1000M网卡、图像采集控件、存储器、数据处理软件包的计算机系统。其主要功能是，记录被测火药样品3燃烧过程热电偶2产生的热电势与时间的曲线；记录和储存高速摄像仪所拍摄的被测火药样品的燃烧图像并通过图像来判断被测火药样品3的燃烧时间；计算获得被测火药样品3的燃烧特性。数据处理软件包含有参数设置模块、数据采集模块、存储模块、图形化模块、火药燃烧速度计算模块、火药表面温度计算模块、火药燃烧热量计算模块、系统管理模块。当进行试验且计算机系统上电后，数据处理软件包根据图3示出的流程执行以下操作步骤：第一步，首先进行初始化设定，此操作由参数设置模块完成，参数设置模块主要通过计算机键盘接纳试验人员输入的各种试验参数，包括数据采集频率、采集时间、触发方式、拍摄速度、被测火药样品3的火药密度ρ、被测火药样品3的长度l、被测火药样品3的热传导系数λ、热电偶2埋入端头相对被测火药样品3燃烧端面的距离X、被测火药样品3的热容量C和试验压力条件下的热容量C_p等参数；第二步，运行数据采集模块，数据采集模块主要通过数据采集卡、图像采集控件、控制采集软件来完成数据采集，预先设置控制采集软件的采集频率、采集时间、触发方式、拍摄速度等参数，每次触发后，自动采集热电偶2产生的热电动势随时间变化的试验数据和高速摄像仪6拍摄的被测火药样品3的燃烧图像信息；第三步，存储模块将试验数据、图像信息数据存储到存储器中的数据文件中；第四步，在数据存储的同时，图形 化模块将采集到的试验数据以热电动势与时间的关系曲线形式显示在图形显示控件上；第五步，当采集结束后，火药燃烧速度计算模块将数据采集模块获得的高速摄像仪6拍摄的图像进行回放分析，根据图像判断被测火药样品3燃烧所用的时间，并依据如下计算公式计算平均燃烧速度并存入存储模块中：

u＝l/t

式中：u为被测火药样品3的平均燃烧速度，l为被测火药样品3的长度，t为被测火药样品3的燃烧时间；第六步，火药表面温度计算模块根据热电动势(电压)与温度的对照表，将数据采集模块获得的热电动势与时间的关系曲线转换为温度与时间的关系曲线，按照时间步长计算各时间点上的表面温度T_n并以列表形式存入到存储模块，然后依据表面温度分布计算公式计算被测火药样品3的燃烧表面温度分布并存入存储模块中：

T_x＝T₀+(T_n-T₀)e^-uρCX/λ

式中：T_x为被测火药样品3燃烧表面温度分布，T₀为被测火药样品3的初始温度，λ为被测火药样品3的热传导系数，ρ为被测火药样品3的火药密度，C为被测火药样品3的热容量，X为热电偶2的埋入端头相对被测火药样品3燃烧端面的距离；第七步，火药燃烧热量计算模块依据以下算法公式计算被测火药样品3燃烧层的燃烧热量并存入存储模块中：

Q＝C_p(T_max-T₀)

式中：Q为被测火药样品3的燃烧热量，C_p为被测火药样品3在试验压力条件下的热容量，T_max为T_n中的最大值；第八步，系统管理模块输出试验测试数据报表。

本发明优选实施例的使用方法如下：

第一、采用本发明优选实施例测试装置进行试验前，需进行火药样品的准备和热电偶的放置准备。火药样品的准备是将被测火药样品3加工成直径为11mm～15mm、长度大约20mm的圆柱体，为了保证被测火药样品3端面燃烧，样品3的侧面需要包覆处理；热电偶2的放置准备是在上述样品药柱3上钻 两个通孔，将热电偶2放在通孔中，并使热电偶2的端头距被测火药样品3燃烧端面50μm～60μm处。

第二、打开本发明优选实施例测试装置的电源，使该测试装置开始预热。将准备好的被测火药样品3放在燃烧室1内的支架上，使第二组导线与热电偶2连接，盖上钟形罩1-1并用螺栓压紧。启动电加热器4，使被测火药样品3在60℃～80℃的温度下保温20min，以减少表面热损失。

第三、在燃烧室1外部，将高速摄像仪6的镜头在观察窗1-11外部对准被测火药样品3，调整光源11使被测火药样品3拍摄清晰，同时调整高速摄像仪6的拍摄速度、光圈及快门，并通过数据线连接到数据采集处理系统14的端口上。

第四、在燃烧室外部，用第一组导线将点火电极5的引出端连接到电点火器7上，将第二组导线连接到数据采集处理系统14的端口上。

第五、关紧放空阀门，启动真空泵12，并观测真空压力表13，当达到所需压力时，关闭真空压力阀。当燃烧室1需要的真空度变化时，打开氮气压力阀，使氮气瓶9中的氮气缓慢地流入燃烧室1种，通过第一压力表8确定所需的压力值。

第六、设置数据采集处理系统14的输入参数，并等待数据采集、记录。

第七、启动电点火器7，火药样品开始燃烧，利用热电偶2和数据采集处理系统14可获得样品药柱燃烧的温度-时间曲线，同时通过高速摄影仪6和数据采集处理系统14记录燃烧图像。

第八、利用数据采集处理系统14对真空下火药燃烧特性测试装置的试验数据进行采集、存储、显示试验曲线、计算试验火药样品的燃烧速度、表面温度以及燃烧热量。

下面给出了参照本发明优选实施例使用方法获得的三例试验结果。

实例1：利用直径为7μm热电偶在1MPa下测量三元混合物(45％C₃H₈N₄O₄， 45％C₄H₁₀N₄O₄，15％C₃H₁₂N₄O₄)+3％NC(硝化棉)样品的火焰温度如下表2，样品直径为10mm，在高速摄像仪6拍摄的图像上看不到暗区，说明已完全燃烧。

表2利用热电偶测得某种火药样品的燃烧温度

实例2：在不同真空压力下获得了三种火药样品的燃烧速度，见表3。

表3不同真空压力下测量得出的不同火药样品的燃速

实例3：在200Pa压力下，对由57％硝化棉、28％硝化甘油、11％二硝基甲苯和4％其它成分构成的火药样品进行测试，测得该样品燃烧表面最高温度为300℃，据此计算出其燃烧热量为292.6kJ/g。

Claims (3)

1.一种真空条件下火药燃烧特性测试装置，包括带有观察窗[1-11]的燃烧室[1]、热电偶[2]、电点火器[7]、点火电极[5]、数据采集处理系统[14]，其特征在于：还包括真空泵[12]、电加热器[4]、高速摄像仪[6]和氮气瓶[9]，所述真空泵[12]通过管道与所述燃烧室[1]相连并为燃烧室[1]提供真空环境，所述氮气瓶[9]通过相应管道、阀门和第一压力表[8]与燃烧室[1]相连，被测火药样品[3]放在燃烧室[1]内的支架上，所述电加热器[4]放置在所述燃烧室[1]内并为燃烧室[1]的被测火药样品[3]提供所需的点火恒温环境，所述点火电极[5]位于燃烧室[1]内并与被测火药样品[3]的燃烧端面接触，所述电点火器[7]位于所述燃烧室[1]外部并通过第一组导线与点火电极[5]相连，所述热电偶[2]的一端插在被测火药样品[3]中，另一端通过第二组导线与所述的数据采集处理系统[14]相连；所述高速摄像仪[6]位于所述观察窗[1-11]的外部并通过数据线与所述数据采集处理系统[14]连接，高速摄像仪[6]经过所述观察窗[1-11]对准被测火药样品[3]并拍摄被测火药样品[3]的燃烧过程；所述的数据采集处理系统[14]为装有测试软件包的计算机系统，所述测试软件包含有参数设置模块、数据采集模块、存储模块、图形化模块、火药燃烧速度计算模块、火药表面温度计算模块、火药燃烧热量计算模块、系统管理模块：参数设置模块的功能是接收键盘输入的相关测试参数；数据采集模块的功能是采集所述热电偶[2]产生的热电动势随时间变化的试验数据和所述高速摄像仪[6]输出的图像信息数据；存储模块的功能是将所述试验数据、图像信息数据分别存储到存储器中的相应数据文件中；图形化模块的功能是以热电动势与时间的关系曲线形式显示所述的试验数据；火药燃烧速度计算模块的功能是根据所述图像信息数据获得被测火药样品[3]的燃烧时间并计算被测火药样品[3]的平均燃烧速度；火药表面温度计算模块的功能是将热电动势与时间的关系曲线转换为温度与时间的关系曲线并依据表面温度分布计算公式计算被测火药样品[3]的燃烧表面温度分布；所述火药燃烧热量计算模块的功能是依据热量公式计算被测火药样品[3]燃烧层的燃烧热量；系统管理模块的功能是完成用户管理和输出试验报表。

2.根据权利要求1所述的真空条件下火药燃烧特性测试装置，其特征在于：所述燃烧室[1]内的真空度为200Pa～1×10⁵Pa。

3.根据权利要求1或2所述的真空条件下火药燃烧特性测试装置，其特征在于：所述的电加热器[4]含有四个200W的加热丝并分别固定在四根立柱上，所述四根立柱均匀分布在燃烧室[1]内的四个周边处。

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