CN101581649A - 固体推进剂燃烧温度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体推进剂燃烧温度测试装置，包括含有燃烧室腔体的燃烧室组件、含有液浴恒温池的恒温组件、含有压力传感器和计算机的测压组件，燃烧室腔体放在液浴恒温池内。燃烧室组件为推进剂样品的燃烧提供密闭空间，恒温组件为推进剂样品的燃烧过程提供恒温环境，推进剂样品燃烧对燃烧室腔体产生的压力变化通过压力传感器检测，装有测试软件包的计算机对压力传感器的检测结果进行运算后间接获得推进剂样品的燃烧温度和燃气生成量。本发明较真实地模拟了推进剂在固体火箭发动机燃烧室内的燃烧情况，并通过恒温措施进一步保证压力传感器能检测到推进剂燃烧过程中真实的压力变化量。利用本发明测试装置获得的测试结果更接近推进剂本身的特性。

Description

固体推进剂燃烧温度测试装置

技术领域

本发明属于火药性能测试领域，主要涉及一种固体推进剂燃烧温度测试装置。该测试装置不仅可以对固体火箭发动机用的各类推进剂的燃烧温度进行测试，同时也可对煤炭、石油化工及电力行业中可燃物的燃烧温度进行检测。

背景技术

燃烧温度不仅是评价推进剂性能优劣的重要指标，同时也是固体火箭发动机设计的重要输入参数之一。推进剂燃烧温度的高低直接影响到固体火箭发动机热防护材料的选择、绝热层厚度的设计以及燃气流场的温度计算等多个方面。目前，由于推进剂燃烧温度测试数值不准确，很多在研发动机的绝热层不能够满足燃烧室、喷管的热防护需求，造成发动机壳体材料过热，甚至造成发动机壳体烧穿试验失败。因此，推进剂燃烧温度测试技术一直以来都是固体火箭发动机技术的重要组成部分之一。

燃烧温度及燃气生成量是推进剂比冲计算的两个重要输入参数，能够获得真实的推进剂燃烧温度及燃气生成量将有助于提高推进剂比冲预估准确度。以往由于缺乏推进剂燃烧温度及燃气生成量的实测结果，推进剂比冲计算输入参数大都先用最小自由能法进行理论计算，然后将计算结果代入比冲计算模型。这种输入参量上的偏差导致理论比冲与发动机实测结果有较大出入，使目前推进剂的理论比冲失去了对设计工作的指导意义。随着推进剂比冲的不断提高，越来越多的推进剂燃烧温度达到甚至超过了3500℃，导致推进剂燃烧时的高温高压环境越来越恶劣，由此也对推进剂燃烧温度的测试带来了很大困难。

贫氧推进剂以高热值成为固体冲压发动机的推进能源，其热值是衡量贫氧推进剂化学潜能大小的一个重要指标。由于贫氧推进剂的热值很高，且金属含量高、燃烧温度高，当测试贫氧推进剂的热值时经常使氧弹的部件严重烧蚀，即不该燃烧的氧弹部件参与燃烧，导致测试失败。高温是造成烧蚀的主要原因，高温必然存在高压，高温下的高压更需考虑安全。因此，在对贫氧推进剂进行热值测试时，除了对氧弹部件的材料进行抗烧蚀筛选外，还必须控制好贫氧推进剂样品的用量，以确保其燃烧后高温条件下燃气压力在安全范围内。

现有的推进剂燃烧温度测试方法主要分为接触式和非接触式两种：接触式测温法将热电偶伸入发动机流场中，通过两种不同金属在高温下的电势差将温度值转化为电信号，再经过软件处理得出燃气的温度值。由于热电偶测温法的有效测试区间在2800℃以内，固体火箭发动机燃烧室内高达3500℃的高温会直接对热电偶造成破坏，根本无法获得有效数据。非接触式测温法采用红外热像仪等光学仪器，通过测试发动机流场的热辐射情况，间接得出燃气的温度值。由于红外热像仪只能测试发动机尾焰流场的温度情况，而不能对燃烧室内的温度进行测试，因此，其测试获得的燃烧温度只是近似值。上述两种测试方法都存在很大局限性，难以应用于发动机燃烧室温度的测试工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种通过测试固体推进剂燃烧时产生的最大压力，来间接获得固体推进剂的燃烧温度和燃气生成量的固体推进剂燃烧温度测试装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的测试装置包括燃烧室组件、恒温组件、测压组件，所述的燃烧室组件含有气阀、顶盖、燃烧室腔体、一对点火接线柱、点火丝、坐有坩埚的支架；燃烧室腔体为厚壁带底圆筒且侧壁设有测压孔；所述顶盖密封在燃烧室腔体的开口端，由此形成密闭的燃烧室；所述气阀绝缘安装在顶盖的阀孔处；第一、第二点火接线柱的一端分别与气阀、顶盖连接且第二点火接线柱的另一端还与所述支架固连；所述点火丝中部缠绕在推进剂测试样品上且两端头则分别与第一、第二点火接线柱连接，所述推进剂测试样品放置到坩埚中；所述恒温组件包括液浴恒温池、温度传感器，液浴恒温池的温度控制在室温以上且底部固连有燃烧室支撑架，液浴恒温池的恒温上限低于其内所放液体介质的沸点，温度传感器置于液浴恒温池中且输出信号送入所述测压组件；所述测压组件包括L型转接头、压力传感器、垫片、电压点火器、含有A/D转换器、存储器和测试软件包的计算机，L型转接头水平段的端部接口与所述燃烧室腔体的测压孔密封连接，竖直段的螺纹端部接口与所述压力传感器连接并通过所述垫片密封；所述燃烧室组件放置在所述液浴恒温池中的燃烧室支撑架上，液浴恒温池内的介质液面高度控制在刚能淹没所述顶盖且所述压力传感器位于介质液面之上；所述电压点火器的输入端通过导线与计算机相连，其输出正、负极端子通过相应导线分别与所述气阀和顶盖连接；所述测试软件包含有参数设置模块、点火控制模块、采集模块、图形模块、存储模块、计算模块、输出模块，参数设置模块通过键盘接收试验参数和相关信息并通过存储模块存入存储器中，点火控制模块接收人工输入的测试命令并向所述电压点火器输出点火命令，采集模块将通过A/D转换器并按照采样周期对所述压力传感器输出的一组电压信号和温度传感器输出的恒温信号进行采集，并将采集到的数据存入存储模块中，图形模块将存储模块中的一组电压数据转换成压力-时间变化曲线并通过存储模块存入存储器中，计算模块的功能是根据所述压力-时间变化曲线求出推进剂测试样品燃烧时产生的最大压力和燃烧结束时的平衡压力，依据理想气体状态方程解算出推进剂测试样品的燃烧温度和燃气生成量并将两者通过存储模块存入到存储器中，输出模块调用存储器中的相关数据和信息，显示或打印测试结果。

根据本发明，所述测压孔距所述燃烧室腔体底部的距离是燃烧室腔体高度的三分之一。

根据本发明，所述液浴恒温池中的液体介质选自硅油、液体石蜡、真空泵用油或者低熔点金属之中的一种。

本发明的有益效果体现在以下两个方面。

(一)本发明将固体推进剂测试样品放在密闭容器及燃烧室内燃烧来建立高温高压燃气场，这真实地模拟了推进剂在固体火箭发动机燃烧室内的高压燃烧情况，并且通过压力传感器对推进剂燃烧过程中本发明燃烧室内的压力变化进行检测，计算机系统根据理想气体状态方程PV＝nRT对压力传感器的检测结果进行相应的运算处理，间接获得推进剂的燃烧温度和燃气生成量。与现有技术中的两种燃烧温度测试方法相比，本发明不仅可以获得燃气生成量，而且所获得的燃烧温度值更接近固体推进剂本身的真实性能。因此，利用本发明测试装置获得的测试数据可对固体火箭发动机的推进剂比冲设计、热防护材料的选择、绝热层厚度的设计以及贫氧推进剂的热值测试提供具有指导意义的参考依据。

(二)在测试过程中，本发明始终将燃烧室组件放置在高温下的液浴恒温池中，通过高恒温来保证推进剂测试样品燃烧时其燃烧气体中的水以气态存在，从而避免了测试样品全部燃烧后，产物中水的相变而引起燃气生成量的变化；此外，高恒温还解决了含氯元素推进剂燃烧气体中氯化氢溶于水的问题，进一步保证了所获得的燃烧温度与推进剂在火箭发动机燃烧室内的燃烧情况一致。

附图说明

图1是本发明燃烧温度测试装置的结构组成示意图。

图2是图1中所示燃烧室组件的结构组成示意图。

图3是L型转接头与燃烧室腔体及压力传感器的连接关系示意图。

图4是本发明中测试软件包的工作流程图。

图5是利用本发明测试获得的BW-4贫氧推进剂的压力-时间变化曲线。

图6是利用本发明测试获得的SJ-1双基推进剂的压力-时间变化曲线。

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燃烧室组件、恒温组件、测压组件。燃烧室组件的主要作用是为固体推进剂测试样品提供密闭的燃烧空间；恒温组件的主要作用是为测试过程提供恒温环境，以保证推进剂测试样品燃烧后燃气生成量不变；测压组件的主要作用是获得固体推进剂测试样品在燃烧过程中的压力曲线并最终计算出固体推进剂测试样品的燃烧温度和燃气生成量。

根据图2所示，燃烧室组件包括气阀1、顶盖2、燃烧室腔体3、挡板4、一对点火接线柱5A和5B、点火丝6、坩埚7、支架9、顶盖2中心带有阀孔和螺孔，燃烧室腔体3是容积为300毫升左右的厚壁带底圆筒且侧壁带有测压孔，该孔距燃烧室腔体3底部的距离是燃烧室腔体3高度的三分之一。顶盖2安装在燃烧室腔体3的开口端且两者之间带有密封措施，由此形成密闭的燃烧室。气阀1安装在顶盖2的阀孔处且气阀1与顶盖2之间为电绝缘。挡板4位于燃烧室的上部，其作用是防止测试样品燃烧时的产物溅射到顶盖2及气阀1上，同时也避免燃烧时的高温气体破坏绝缘措施。第一点火接线柱5A的一端直接与气阀1连接。第二点火接线柱5B的一端则与顶盖2的螺孔连接，同时第二点火接线柱5B的另一端与支架9固连，坩埚7坐在支架9上，从而通过支架9的支撑悬于燃烧室的中部。坩埚7的材质为钨或其它耐高温材料。点火丝6选用直径为0.1～0.3mm的镍铬合金丝，其长度可根据固体推进剂的易燃特性而定(即测试易燃特性好的推进剂时点火丝6可稍短些，测试易燃特性稍差的推进剂时点火丝6可稍长些便于多缠绕几圈)，点火丝6中部缠绕在推进剂测试样品8上，两端头则分别与第一点火接线柱5A和第二点火接线柱5B的另一端连接，且推进剂测试样品8放置到坩埚7中。

恒温组件(参见图1)包括液浴恒温池13、温度传感器14。液浴恒温池13含有池体、加热器、温控器、液体介质、燃烧室支撑架。燃烧室支撑架固定在池体底部。液体介质放在池体中并选用硅油、液体石蜡、真空泵用油或者低熔点金属之中的一种。在加热器和温控器的共同作用下，可将液浴恒温池13内的液体介质温度控制在室温以上的恒温；其恒温上限应低于该液体介质的沸点。温度传感器14用于感知测试中液浴恒温池13内液体介质的实际温度并将该温度值送入测压组件。

测压组件包括L型转接头10、压力传感器12、垫片11、电压点火器15、含有A/D转换器、存储器和测试软件包的计算机系统16。L型转接头10用不锈钢(1铬18镍9钛)加工制成，其水平段的端部接口与燃烧室腔体13的测压孔密封焊接(参见图3)，竖直段的螺纹端部接口与压力传感器12连接并通过垫片11密封。垫片11采用厚度为2～4mm的紫铜圆环且需要进行退火处理，垫片11数量的选取以接口处不漏气为准。燃烧室组件放置在液浴恒温池13中的燃烧室支撑架上，液浴恒温池13内的介质液面高度控制在刚能淹没顶盖2且L型转接头10竖直段的长度应保证压力传感器12位于介质液面之上。电压点火器15为制式电压点火器，其输入端通过导线与计算机系统16相连，其输出正、负极端子通过相应导线分别与气阀1和顶盖2连接；其主要功能是根据计算机指令输出点火信号。测试软件包含有参数设置模块、点火控制模块、采集模块、图形模块、存储模块、计算模块、输出模块。该测试软件包的工作流程参见图4。参数设置模块通过键盘接收试验参数和相关信息并通过存储模块存入存储器中，试验参数和相关信息包括经过标定后的燃烧室容积V、推进剂测试样品名称、样品用量、点火电压、点火时间、测试人员姓名等信息。点火控制模块接收人工输入的测试命令并向电压点火器15输出点火命令，同时判断点火是否成功，若为否，重新接受人工输入的点火电压和点火时间；若为是，采集模块通过A/D转换器并按照采样周期对推进剂测试样品8燃烧过程中压力传感器12输出的一组代表压力的电压信号和温度传感器14输出且代表恒温的电压信号V_T进行采集并换算为温度值T_T，并将采集到的数据存入存储模块中，当推进剂测试样品燃烧结束后且燃烧室内的压力值达到新的平衡时停止采集。图形模块将存储模块中的一组电压数据转换成压力-时间变化曲线并通过存储模块存入存储器中。计算模块中置有以下算法公式：

T_测＝T_T                          (1)

T_eq＝T_测+273                     (2)

T_max＝P_max×T_eq/P_eq              (3)

n＝P_maxV/RT_max                   (4)

式中，T_测为恒温池实测的恒温温度；T_eq为恒温池温度的绝对温度；P_max为推进剂测试样品燃烧时其燃气对燃烧室形成的最大压力；T_max为推进剂测试样品在最大压力时所对应的燃气温度即最高燃烧温度；P_eq为推进剂测试样品燃烧结束后的平衡压力；n为推进剂测试样品在燃烧过程中所生成的燃气量，V为标定后的燃烧室体积；R为摩尔气体常数即8.314。计算模块启动后，首先从存储模块中调用V_T，并通过公式(1)和公式(2)相继计算出T_测和T_eq；然后调用存储器中的压力-时间变化曲线，求出燃烧过程中的最大压力P_max和燃烧结束后的平衡压力P_eq；最后通过公式(3)和公式(4)分别计算出推进剂测试样品的燃烧温度T_max和燃气生成量n并将两者通过存储模块存入到存储器中。输出模块调用存储器中的相关数据和信息，以曲线形式和表格形式显示或打印测试结果。

下面通过实例介绍本发明测试装置的使用方法。

实例1：测试样品为1.950g的BW-4贫氧推进剂。

测试前，应对压力传感器12进行标定并将压力传感器12安装在L型转接头10的竖直段端口。为保证测试的准确性，通过气阀1的进气口给燃烧室充入少量氧气，以检查压力传感器12的连接处是否漏气，如漏气则依据实际情况调整垫片11的数量，直到不漏气为止。用乙醇标定燃烧室的容积V(本例为287.5ml)。称取质量为1.950g的某贫氧推进剂测试样品8，用12厘米长的点火丝6在测试样品8上绕两圈后其两个端头分别接在第一、第二点火接线柱5A、5B上，测试样品8放入坩埚7内。按照本发明的要求装配好燃烧室并通过气阀1的进气口给燃烧室内充入一定的恒压气体，充入气体的种类和压力值根据测试样品的实际应用环境需求而定，本例充入气体为氧气，气压值为3.67MPa。之后，将燃烧室组件放入到温度为250℃的液浴恒温池13中恒温，恒液浴温池13中的液体介质选用甲基硅油。开启计算机系统，人工输入燃烧室的标定容积V＝287.5ml，通过计算机系统的菜单界面下达测试命令，此后，电压点火器15输出点火电流，测试样品8在点火电流作用下开始燃烧，其产生的燃气使燃烧室中的压力经历“恒压P₀→升压P_max→降压→再恒压P_eq”的变化过程，而这一变化过程通过L型转接头10被压力传感器12检测，压力传感器12和温度传感器14的输出信号被计算机系统16采集和记录，最终计算机系统16输出图5所示的测试曲线和测试结果即燃烧温度T_max＝1962.1K，燃气生成量n＝0.29mol。打开气阀的排气口放出废气，清洗燃烧室，实验结束。

实例2：测试样品为3.02g的SJ-1双基推进剂

实例2的测试步骤与实例1的步骤基本相同，所不同的是：点火丝6的长度为10厘米；测试前给燃烧室充入的恒压气体为1.0MPa的氮气。最终计算机系统16输出图6所示的测试曲线和测试结果即燃烧温度T_max＝1920.3K，燃气生成量n＝0.13mol。

Claims (3)

1.一种固体推进剂燃烧温度测试装置，包括燃烧室组件，其特征在于：还包括恒温组件、测压组件，所述的燃烧室组件含有气阀、顶盖、燃烧室腔体、一对点火接线柱、点火丝、坐有坩埚的支架；燃烧室腔体为厚壁带底圆筒且侧壁设有测压孔；所述顶盖密封在燃烧室腔体的开口端，由此形成密闭的燃烧室；所述气阀绝缘安装在顶盖的阀孔处；第一、第二点火接线柱的一端分别与气阀、顶盖连接且第二点火接线柱的另一端还与所述支架固连；所述点火丝中部缠绕在推进剂测试样品上且两端头则分别与第一、第二点火接线柱连接，所述推进剂测试样品放置到坩埚中；所述恒温组件包括液浴恒温池、温度传感器，液浴恒温池的温度控制在室温以上且底部固连有燃烧室支撑架，液浴恒温池的恒温上限低于其内所放液体介质的沸点，温度传感器置于液浴恒温池中且输出信号送入所述测压组件；所述测压组件包括L型转接头、压力传感器、垫片、电压点火器、含有A/D转换器、存储器和测试软件包的计算机，L型转接头水平段的端部接口与所述燃烧室腔体的测压孔密封连接，竖直段的螺纹端部接口与所述压力传感器连接并通过所述垫片密封；所述燃烧室组件放置在所述液浴恒温池中的燃烧室支撑架上，液浴恒温池内的介质液面高度控制在刚能淹没所述顶盖且所述压力传感器位于介质液面之上；所述电压点火器的输入端通过导线与计算机相连，其输出正、负极端子通过相应导线分别与所述气阀和顶盖连接；所述测试软件包含有参数设置模块、点火控制模块、采集模块、图形模块、存储模块、计算模块、输出模块，参数设置模块通过键盘接收试验参数和相关信息并通过存储模块存入存储器中，点火控制模块接收人工输入的测试命令并向所述电压点火器输出点火命令，采集模块将通过A/D转换器并按照采样周期对所述压力传感器输出的一组电压信号和温度传感器输出的恒温信号进行采集，并将采集到的数据存入存储模块中，图形模块将存储模块中的一组电压数据转换成压力-时间变化曲线并通过存储模块存入存储器中，计算模块的功能是根据所述压力-时间变化曲线求出推进剂测试样品燃烧时产生的最大压力和燃烧结束时的平衡压力，依据理想气体状态方程解算出推进剂测试样品的燃烧温度和燃气生成量并将两者通过存储模块存入到存储器中，输出模块调用存储器中的相关数据和信息，显示或打印测试结果。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂燃烧温度测试装置，其特征在于：所述测压孔距所述燃烧室腔体底部的距离是燃烧室腔体高度的三分之一。

3.根据权利要求1或2所述的固体推进剂燃烧温度测试装置，其特征在于：所述液浴恒温池中的液体介质选自硅油、液体石蜡、真空泵用油或者低熔点金属之中的一种。

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