CN101975125B - 液体推进剂高压线燃速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体推进剂高压线燃速测量装置，由高压环境产生室、液体推进剂线状燃烧器，高压环境产生室的一端与线状燃烧器一端相通，另一端通过螺纹与点火螺堵连接，压力传递与点火延迟机构通过螺纹连接到线状燃烧器的一端，并将高压环境产生室与线状燃烧器分隔，泄压堵头采用螺纹与线状燃烧器的另一端连接，离子探针传感器通过螺纹安装在线状燃烧器侧壁上；高压环境产生室里面装有硝化棉点火药包、固体火药和包覆火药柱，高压环境产生室压力大小由第一压电传感器实时测量，线状燃烧器里面装满单元液体推进剂，其压力由第二压电传感器测量。本发明采用高压离子探针传感器测定液体推进剂火焰面的传播速度，易于实现液体推进剂高压线燃速的测量。

Description

液体推进剂高压线燃速测量装置

技术领域

本发明属于液体推进剂燃速测量技术领域，特别是一种液体推进剂高压线燃速测量装置。

背景技术

为适应太空探测和高技术战争的需要，世界各国都在竞相研究新型火箭推进技术和新概念火炮发射技术，其中液体推进剂是采用的能源之一。为了有效控制液体推进系统的内弹道性能，必须了解液体推进剂在高压下的燃烧特性，属于军民两用技术。Chang等人在Journal of Propulsion and Power，17(4)：800，2001中使用矩形线状燃烧器，利用阴影照相法，来测定液体推进剂在1～207MPa下的线燃速，其高压环境是由逐级增压的氮气源提供的。Mcbratney等人在ARL-TR-442，1994中采用了一种高压开窗燃烧器，通过高速摄影技术来测量10～300MPa下液体推进剂的线燃速，同样也是用逐级加压氮气源来产生高压环境。但是，这种采用增压氮气源来获得高压环境的方法结构复杂，成本较高。有人提出用包覆火药产生高压环境，用离子探针测速技术测量OTTO-II的线燃速，但是在当时的研究阶段未提出一些关键部件的设计，如压力传递与点火延迟机构、离子探针传感器和泄压堵头等技术的设计，对于装置工作的稳定性与可靠性工作还待进一步研究和设计(余永刚等：燃烧科学与技术，10(1)：88-91，2004)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液体推进剂高压线燃速测量装置，能够在满足经济性的前提下形成高压环境，准确地测量液体推进剂在近似恒定高压下的线燃速。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种液体推进剂高压线燃速测量装置，由高压环境产生室、液体推进剂线状燃烧器以及相关附件组成，该相关附件包括点火螺堵、压力传递与点火延迟机构、离子探针传感器、泄压堵头，其中高压环境产生室的一端与线状燃烧器一端相通，另一端通过螺纹与点火螺堵连接，压力传递与点火延迟机构通过螺纹连接到线状燃烧器的一端，并将高压环境产生室与线状燃烧器分隔，泄压堵头采用螺纹与线状燃烧器的另一端连接，离子探针传感器通过螺纹安装在线状燃烧器侧壁上；高压环境产生室里面装有硝化棉点火药包、固体火药和包覆火药柱，高压环境产生室压力大小由第一压电传感器实时测量，线状燃烧器里面装满单元液体推进剂，其压力由第二压电传感器测量。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)由高压环境产生室和液体推进剂线状燃烧器两部分组成，两部分之间是一个压力传递与点火延迟机构，它一方面可以把高压室压力传给线状燃烧器中的液体推进剂，另一方面还可起到点火延迟作用。高压产生室内高压环境是通过固体火药燃烧产生的，近似恒压环境是通过包覆火药柱燃烧进行热散失压降补偿来实现的，与国外同类装置中的氮气压力源相比，结构简单，成本更低。(2)采用高压离子探针传感器测定液体推进剂火焰面的传播速度，易于实现液体推进剂高压线燃速的测量。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是根据本发明提出的液体推进剂高压线燃速测量装置示意图。图1中1-点火螺堵；2-点火药包；3-固体火药与包覆火药柱；4-压力传递与点火延迟机构；5-离子探针传感器；6-泄压堵头；7、8-测压孔。

图2是锥形包覆火药柱形状示意图。

图3是点火螺堵内部构造示意图。图3中1-1、1-2-电极；1-3-螺帽；1-4-尼龙垫片；1-5-点火螺堵本体；1-6-尼龙套；1-7-金属块；1-8-尼龙垫片；1-9-压螺；1-10、1-11-电极。

图4是压力传递与点火延迟机构内部构造示意图。图4(a)中4-1-顶塞；4-2-十字槽圆柱；4-3-可燃介质；4-4-机构本体，图4(b)为十字槽圆柱的结构示意图。

图5是离子探针传感器与燃烧器的连接示意图。图5中5-1-燃烧器壁面；5-2-离子探针；5-3-紫铜垫片；5-4-套筒；5-5-螺套；5-6-顶塞。

图6是泄压堵头内部构造示意图。图6中6-1-顶塞；6-2-泄压堵头本体；6-3-钢珠。

具体实施方式

结合图1，本发明液体推进剂高压线燃速测量装置，由高压环境产生室、液体推进剂线状燃烧器以及相关附件组成，利用固体火药燃烧产生高压环境，再利用包覆火药柱燃烧进行热散失压降补偿，以维持容器内近似恒压环境，该相关附件包括点火螺堵1、压力传递与点火延迟机构4、离子探针传感器5、泄压堵头6，其中高压环境产生室的一端与线状燃烧器一端相通，另一端通过螺纹与点火螺堵1连接，压力传递与点火延迟机构4通过螺纹连接到线状燃烧器的一端，并将高压环境产生室与线状燃烧器分隔，泄压堵头6采用螺纹与线状燃烧器的另一端连接，离子探针传感器5通过螺纹安装在线状燃烧器侧壁上(离子探针传感器5的个数根据需要选取，可以为2个以上)；高压环境产生室里面装有硝化棉点火药包2、固体火药和包覆火药柱3，高压环境产生室压力大小由第一压电传感器8实时测量，线状燃烧器里面装满单元液体推进剂，其压力由第二压电传感器7测量。

本发明液体推进剂高压线燃速测量装置的工作过程是：先由硝化棉点火药包2点燃固体火药和包覆火药柱，高压产生室内压力迅速上升，并及时通过压力传递与点火延迟机构4传到线状燃烧器中的液体推进剂，经过一定的延迟时间后，液体推进剂燃烧起来。由于压力传递与点火延迟机构4打开前两部分压力基本相同，所以延迟机构打开后，线状燃烧器中的液体推进剂不会飞溅，这样燃烧面逐层向下传播，一旦火焰传到离子探针传感器5处，即产生一个导通信号，由测时仪测出任两个导通信号的时间，进而算出液体推进剂的线燃速。

本发明中高压产生室内压力环境的形成是这样实现的：高压产生室里面装有3种火药，即点火药、主燃火药和包覆火药柱。高压产生室的最大压力由主燃火药的装药量决定。

由密闭爆发器定容状态方程，得

$p_{\mathrm{\ψ}}\frac{\mathrm{f\Δ\ψ}}{1-\mathrm{\Δ}/{\mathrm{\ρ}}_p-(\mathrm{\α}-1/{\mathrm{\ρ}}_p)\mathrm{\Δ\ψ}}---\left(1\right)$

式中：f为主燃火药的火药力；Δ为主燃火药的装填密度；ψ为主燃火药已燃百分数；ρ_p为主燃火药密度；α为主燃火药气体余容。

当主燃火药燃烧结束时，ψ＝1，这时高压产生室压力达到最大值，即p_ψ＝p_m，由式(1)可得

$p_m=\frac{\mathrm{f\Δ}}{1-\mathrm{\α\Δ}}---\left(2\right)$

随着主燃火药燃完，高压产生室内由于热散失的原因，压力会急剧下降。为了维持近似的恒压环境，采用包覆火药柱渐增性燃烧的方法来进行压降补偿。

一般情况下，热散失导致的压降可用下式表示，即

$\frac{{\mathrm{\Δp}}_m}{p_m}=\frac{S}{V_0}\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n---\left(3\right)$

式中：S为装置的外表面积；V₀为装置的容积；b_n为实验拟合系数。

锥形包覆火药柱的形状如图2所示，燃烧导致的压力增量为

${\mathrm{\Δp}\′}_m\frac{f\′\mathrm{\Δ}\′\mathrm{\ψ}\′}{1-\mathrm{\Δ}\′/{\mathrm{\ρ}\′}_p-(\mathrm{\α}\′-1/{\mathrm{\ρ}\′}_p)\mathrm{\Δ}\′\mathrm{\ψ}\′}---\left(4\right)$

式中：f′为包覆火药柱的火药力；Δ′为包覆火药柱的装填密度；ψ′为包覆火药柱已燃百分数；ρ′_p为包覆火药柱密度；α′为包覆火药柱气体余容。

包覆火药柱已燃百分数为

$\mathrm{\ψ}\′=\frac{{\∫}_0^e\mathrm{\π}{(r_0+\mathrm{etg}\frac{\mathrm{\β}}{2})}^2\mathrm{de}}{{\∫}_0^{e_0}\mathrm{\π}{(r_0+\mathrm{etg}\frac{\mathrm{\β}}{2})}^2\mathrm{de}}=\frac{r_0^{2}e+r_0{e}^2\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\β}}{2}+\frac{e^3}{3}{\mathrm{tg}}^2\frac{\mathrm{\β}}{2}}{r_0^{2}e+r_0{e}_0^2\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\β}}{2}+\frac{e_0^3}{3}{\mathrm{tg}}^2\frac{\mathrm{\β}}{2}}---\left(5\right)$

式中：r₀为锥形圆柱的初始截面半径；e₀为锥形圆柱总厚度；β为锥形圆柱的顶角。

包覆火药柱的线燃速满足指数燃速定律，即

$\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}=u_1{p}_m^n---\left(6\right)$

式中：u₁为燃速系数；n为燃速指数。

由式(3)～式(6)可确定合适的β值，锥形包覆火药柱可以选择几种β值混合装填，以形成近似的恒压环境。

结合图3，本发明液体推进剂高压线燃速测量装置的点火螺堵1包括第一、二、三、四电极1-1、1-2、1-10、1-11，螺帽1-3，第一、二尼龙垫片1-4、1-8，点火螺堵本体1-5，尼龙套1-6，金属块1-7，压螺1-9，第一、三电极1-1、1-10的一端都攻有一段螺纹，通过螺纹与点火螺堵本体1-5连接起来；金属块1-7设置在点火螺堵本体1-5内，第二电极1-2的一端通过螺纹连接到金属块1-7上(第二、四电极1-2、1-11与点火螺堵本体1-5之间绝缘，通过空腔和尼龙套1-6、第一、二尼龙垫片1-4、1-8实现)，并由螺帽1-3固定在点火螺堵本体1-5上，在螺帽1-3和点火螺堵本体1-5之间通过第一尼龙垫片1-4绝缘，第四电极1-11的一端通过螺纹旋入金属块1-7中，金属块1-7外面用尼龙套1-6套住，使其与点火螺堵本体1-5隔离，保持绝缘，用压螺1-9压住第二尼龙垫片1-8使其与金属块1-7绝缘，该压螺1-9与点火螺堵本体1-5通过螺纹连接，第一、三电极1-1、1-10之间导通，第二、四电极1-2、1-11之间导通，第一、三电极1-1、1-10分别与第二、四电极1-2、1-11之间绝缘，第一、二电极1-1、1-2的外端接外部24～36V直流电源，第三、四电极1-10、1-11的外端接硝化棉点火药包2，这样当外部电源接通时，就实现对硝化棉点火药包2的点火。

结合图4，本发明液体推进剂高压线燃速测量装置的压力传递与点火延迟机构4可以把高压产生室压力实时传递到线状燃烧器，包括顶塞4-1、十字槽圆柱4-2、可燃介质4-3、机构本体4-4，该机构本体4-4的一端腔体内设置顶塞4-1，可燃介质4-3放置在机构本体4-4的另一端腔体内，顶塞4-1和可燃介质4-3之间通过设置在机构本体4-4中的十字槽圆柱4-2连接。可燃介质4-3的一端和高压产生室相连，另一端和液体推进剂相连，它一方面可把高压室压力传给线状燃烧器中的液体推进剂，另一方面还可起到点火延迟的作用。高压产生室中的气体通过顶塞4-1中央的孔流入到紧挨着顶塞的十字槽圆柱4-2，圆柱上十字槽末端开有四个小孔，如图4(b)所示，气体流过这四个小孔，流向可燃介质4-3，使得可燃介质4-3燃烧起来。由于可燃介质4-3侧面经过钝感阻燃处理，所以其燃烧只沿着轴向进行，即从上表面开始，逐层向下燃烧。可燃介质4-3具有独特的形状，其上部的锥状头部与机构本体4-4的锥形孔完全贴合，下部柱状端面与机构本体4-4的阶梯面有间隙，当高压气流从小孔流入时，由于压力的作用，可燃介质4-3会稍向下移动，从而实现了两室压力传递。另外，当锥形头部烧完时，剩余的柱状可燃介质具有活塞功能，保持高压产生室和线状燃烧器内压力基本平衡。所以延迟机构打开后，线状燃烧器中的液体推进剂不会飞溅。当高压产生室内达到最大压力时，设计的可燃介质4-3刚好烧完，高压产生室中的热气体进入线状燃烧器，点燃液体推进剂。

结合图5，本发明液体推进剂高压线燃速测量装置，将离子探针5-2的两根绝缘金属丝绞紧，从套筒5-4里穿过，用环氧胶密封后固化，再把套筒5-4装入螺塞5-5中，离子探针5-2与螺塞5-5出口间隙用高温胶密封，并把顶塞5-6旋入螺塞5-5中，压紧套筒5-4，然后把紫铜垫片5-3装入燃烧器壁内，最后把螺塞5-5旋入燃烧器壁内的螺纹孔内，压紧紫铜垫片5-3，从而构成离子探针传感器5。液体推进剂逐层燃烧，当燃烧传到离子探针传感器处，会产生一个导通信号，由测时仪测出任两个导通信号之间的时间，就可以计算出液体推进剂的线燃速。

结合图6，本发明液体推进剂高压线燃速测量装置的泄压堵头6包括顶塞6-1、泄压堵头本体6-2、钢珠6-3，钢珠6-3放置在泄压堵头本体6-2内，顶塞6-1内部设置“L”型气流通道，在实验过程中，顶塞6-1旋入泄压堵头本体6-2中，压紧钢珠6-3，使钢珠6-3的球面与泄压堵头本体6-2内部锥孔的锥面贴合，形成线密封，堵住线状燃烧器出口，起到密封作用；实验后，旋松顶塞6-1，使得钢珠6-3的球面与本体6-2内部锥孔的锥面分离，线状燃烧器中的气体通过钢珠6-3的球面与锥面之间的间隙流出，再经过顶塞6-1内部的“L”型气流通道，流到线状燃烧器外，实现了泄压过程。

实施例

高压产生室的容积为50ml，线状燃烧器的内径为3～5mm，长度为70～100mm，燃烧器壁上的离子探针传感器的间距为15mm。点火药采用2#硝化棉，主燃火药采用4/7火药，包覆火药采用锥形侧面包覆的双铅火箭药柱，半锥角为15°，线状燃烧器中液体推进剂是HAN基系列推进剂中的LP1846。

实验时，先由硝化棉点火药包点燃主燃火药4/7药和锥形包覆火药柱，4/7火药燃烧产生高压环境，锥形包覆火药柱燃烧进行热散失压降补偿，以维持容器内近似的恒压环境。密闭容器内的压力通过压力传递与点火延迟机构传到线状燃烧器中的液体推进剂LP1846。当密闭容器内达到最大压力时，点火延迟机构中的可燃介质烧完，密闭容器中的气体进入线状燃烧器，点燃液体推进剂LP1846。由压电传感器实时测量高压产生室和线状燃烧器中的压力，由测时仪测出相邻两个离子探针传感器的导通时间，根据离子探针传感器之间的间距和导通时间，即可算出液体推进剂LP1846在环境压力P下的表观线燃速u。通过调整高压环境产生室的压力，即可测量出不同压力下LP1846的表观线燃速，一组不同压力下LP1846的表观线燃速实验数据列于表1。一次实验完成后，用扳手拧松泄压堵头顶塞(6-1)，即可释放燃气。

表1LP1846表观线燃速测量数据

根据表1中的数据，以lnP为横坐标，lnu为纵坐标作图，从图中可以看出，lnu-lnP关系曲线近似为一条直线。采用最小二乘法，可拟合出LP1846在6～28MPa范围内表观线燃速的经验公式，即

u＝9.371P^0.294

式中：u为表观线燃速，mm/s；P为环境压力，MPa。

Claims (4)

1.一种液体推进剂高压线燃速测量装置，其特征在于由高压环境产生室、液体推进剂线状燃烧器以及相关附件组成，该相关附件包括点火螺堵(1)、压力传递与点火延迟机构(4)、离子探针传感器(5)、泄压堵头(6)，其中高压环境产生室的一端与线状燃烧器一端相通，另一端通过螺纹与点火螺堵(1)连接，压力传递与点火延迟机构(4)通过螺纹连接到线状燃烧器的一端，并将高压环境产生室与线状燃烧器分隔，泄压堵头(6)采用螺纹与线状燃烧器的另一端连接，离子探针传感器(5)通过螺纹安装在线状燃烧器侧壁上；高压环境产生室里面装有硝化棉点火药包(2)、固体火药和包覆火药柱(3)，高压环境产生室压力大小由第一压电传感器(8)实时测量，线状燃烧器里面装满单元液体推进剂，其压力由第二压电传感器(7)测量；

其中压力传递与点火延迟机构(4)包括顶塞(4-1)、十字槽圆柱(4-2)、可燃介质(4-3)、机构本体(4-4)，该机构本体(4-4)的一端腔体内设置顶塞(4-1)，可燃介质(4-3)放置在机构本体(4-4)的另一端腔体内，顶塞(4-1)和可燃介质(4-3)之间通过设置在机构本体(4-4)中的十字槽圆柱(4-2)连接。

2.根据权利要求1所述的液体推进剂高压线燃速测量装置，其特征在于点火螺堵(1)包括第一、二、三、四电极(1-1、1-2、1-10、1-11)，螺帽(1-3)，第一、二尼龙垫片(1-4、1-8)，点火螺堵本体(1-5)，尼龙套(1-6)，金属块(1-7)，压螺(1-9)，第一、三电极(1-1、1-10)的一端都攻有一段螺纹，通过螺纹与点火螺堵本体(1-5)连接起来；金属块(1-7)设置在点火螺堵本体(1-5)内，第二电极(1-2)的一端通过螺纹连接到金属块(1-7)上，并由螺帽(1-3)固定在点火螺堵本体(1-5)上，在螺帽(1-3)和点火螺堵本体(1-5)之间通过第一尼龙垫片(1-4)绝缘，第四电极(1-11)的一端通过螺纹旋入金属块(1-7)中，金属块(1-7)外面用尼龙套(1-6)套住，使其与点火螺堵本体(1-5)隔离，保持绝缘，用压螺(1-9)压住第二尼龙垫片(1-8)使其与金属块(1-7)绝缘，该压螺(1-9)与点火螺堵本体(1-5)通过螺纹连接，第一、三电极(1-1、1-10)之间导通，第二、四电极(1-2、1-11)之间导通，第一、三电极(1-1、1-10)分别与第二、四电极(1-2、1-11)之间绝缘，第一、二电极(1-1、1-2)的外端接外部电源，第三、四电极(1-10、1-11)的外端接硝化棉点火药包(2)，这样当外部电源接通时，就实现对硝化棉点火药包(2)的点火。

3.根据权利要求1所述的液体推进剂高压线燃速测量装置，其特征在于将离子探针(5-2)的两根绝缘金属丝绞紧，从套筒(5-4)穿过，用环氧胶密封后固化，再把套筒(5-4)装入螺塞(5-5)中，离子探针(5-2)与螺塞(5-5)出口间隙用高温胶密封，并把顶塞(5-6)旋入螺塞(5-5)中，压紧套筒(5-4)，然后把紫铜垫片(5-3)装入燃烧器壁内，最后把螺塞(5-5)旋入燃烧器壁内的螺纹孔内，压紧紫铜垫片(5-3)，从而构成离子探针传感器(5)。

4.根据权利要求1所述的液体推进剂高压线燃速测量装置，其特征在于泄压堵头(6)包括顶塞(6-1)、泄压堵头本体(6-2)、钢珠(6-3)，钢珠(6-3)放置在泄压堵头本体(6-2)内，顶塞(6-1)内部设置“L”型气流通道，顶塞(6-1)旋入泄压堵头本体(6-2)中，压紧钢珠(6-3)，使钢珠(6-3)的球面与泄压堵头本体(6-2)内部锥孔的锥面贴合，形成线密封，堵住线状燃烧器出口，起到密封作用；实验后，旋松顶塞(6-1)，使得钢珠(6-3)的球面与本体(6-2)内部锥孔的锥面分离，线状燃烧器中的气体通过钢珠(6-3)的球面与锥面之间的间隙流出，再经过顶塞(6-1)内部的“L”型气流通道，流到线状燃烧器外，实现了泄压过程。

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