CN102095839A - 固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统，包括燃烧室及配气单元，测控单元和数据采集处理单元，所述的燃烧室及配气单元包括燃烧室、恒温槽、高压氮气瓶、缓冲氮气瓶、相关阀门管路、氮气增压泵和用以固定被测样品的多靶线药架，多靶线药架一端在燃烧室内有点火线接线柱、地线接线柱和6～10个靶线接线柱；数据采集处理单元用于测控单元各功能块的调度与控制，以及测试数据的分析处理和数据管理。本测试系统可以阶段性的反映固体推进剂燃速随压强变化而变化的情况，属于动态燃速测试范畴，而现有的靶线法和水下声发射法测试的是单一恒压条件下的静态燃速，因此本测试系统测得的结论更接近固体推进剂在固体火箭发动机中燃烧时的实际情况。

Description

固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统

技术领域

本发明涉及一种固体推进剂准动态燃烧性能测试系统。

背景技术

固体推进剂的燃烧速度是指单位时间内沿固体推进剂表面的法线方向上固相消失的距离，简称固体推进剂的燃速。它决定着固体推进剂能量的释放速度，也是计算固体推进剂其它燃烧性能（燃速压强指数、燃速温度敏感系数、侵蚀比等）的核心参量。无论燃烧时压强、初温、气流速度等影响因素的变化，最终都将反映在燃速的变化上。此外，它还直接影响火箭发动机的弹道性能、飞行速度和工作稳定性等。因此，固体推进剂的燃速是武器所要求的重要性能参数之一，研究燃速及燃速受影响因素的变化规律，可以为固体火箭发动机和装药设计者提供重要的设计参数。

在固体推进剂生产的过程中，由于每一批次原材料在物理、化学性质上可能存在细微的差异，这将导致同种配方不同批次的产品在性能上产生不小的差异，从而影响到固体火箭发动机的正常使用，因此需要对每个批次的固体推进剂进行燃烧性能的检验。目前常用的固体推进剂燃速测试方法只能对单一压强、温度的样品进行燃速测试，在测试燃速压强指数和燃速温度敏感系数时需要重复十几次甚至几十次的操作，测试周期较长，所以需要一种简单、高效、快捷的固体推进剂燃烧性能测试方法，以缩短固体推进剂的生产周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够方便、快捷地测出固体推进剂的准动态燃速、燃速压强指数和高温条件下的燃速温度敏感系数的多靶线准动态燃烧性能测试系统，以克服现有系统存在周期较长的主要不足。

本发明实现过程如下：

固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统，包括燃烧室及配气单元，测控单元和数据采集处理单元，所述的燃烧室及配气单元包括燃烧室、恒温槽、高压氮气瓶、缓冲氮气瓶、相关阀门管路、氮气增压泵和用以固定被测样品的多靶线药架，多靶线药架一端在燃烧室内有点火线接线柱、地线接线柱和6～10个靶线接线柱；所述的测控单元包括点火电路，多靶线识别电路，多通道同步数据采集卡，温度传感器、压强传感器，数据采集卡具有多路高速数据采集功能和多路开关量输入输出功能；测控单元控制燃烧室的初始温度和压强，点火操作，探测燃烧室的温度、压强，接收多靶线识别电路信号进行放大、A/D转换、通信，实施数据采集、处理、计算测试结果并进行存储；所述的数据采集处理单元用于测控单元各功能块的调度与控制，以及测试数据的分析处理和数据管理；对温度和压强的控制采用模糊PID控制技术，对信号的检测采用相关检测算法。

所述的燃烧室及配气单元用于提供固体推进剂试样燃烧的场所以及测试时所需要的初始压强和初始温度环境，燃烧室有进气排气孔、应急排气孔和压强温度传感器安装孔，恒温槽用来保持燃烧室温度，缓冲氮气瓶和高压氮气瓶用来给燃烧室提供初始压强，氮气增压泵用来给缓冲氮气瓶和高压氮气瓶增压。

所述的数据采集处理单元用于实现对系统实时测控和数据分析处理，包括系统模块、控制模块、测量模块、数据处理模块和数据管理模块；所述的系统模块进行初始测试参数和测试数据采集参数的设定；所述的控制模块进行压强控制、温度控制和点火控制操作；所述的测量模块用于固体推进剂多靶线准动态燃烧性能的测试，进行压强采样、温度采样、采样波形显示、波形曲线绘制和数据保存；所述的数据处理模块进行测试数据有效性判别、准动态燃速计算、压强指数计算、燃速温度敏感系数和打印报告单；所述的数据管理模块进行数据存储、数据检索和检测结果导出操作。

多靶线测试单元中复杂条件下多靶线识别电路采用断点之间空间介质的非线性电阻大小进行靶线通断识别。

本发明相比现有的测试方法，具有下述优点：

1、本测试系统可以阶段性的反映固体推进剂燃速随压强变化而变化的情况，属于动态燃速测试范畴，而现有的靶线法和水下声发射法测试的是单一恒压条件下的静态燃速，因此本测试系统测得的结论更接近固体推进剂在固体火箭发动机中燃烧时的实际情况。

2、本测试系统可以方便、快捷地测出固体推进剂的燃速压强指数。由于本方法在一次燃烧过程中可以测试多个压强下的燃速值，所以在理论上实现了通过一次测试得出多个压强下的燃速压力指数的目的。原有的测试方法每一次测试时只能进行单个压强点的燃速测试，测燃速压强指数时必须对每一个压强点进行单点燃速测试，需要十几次甚至几十次的重复操作。因此使用本方法进行燃速和燃速压强指数测试时可以缩短固体推进剂的研制生产周期，降低成本。

3、本测试系统是以现有的固体推进剂靶线法燃速测试系统为基础，通过对测试单元进行改进后得出，在实际操作中易于实现。

附图说明

图1系统结构示意图；

图2数据采集处理单元主要功能模块示意图；

图3数据采集处理单元工作流程简图。

上图中，[1]高压氮气瓶  [2]氮气缓冲瓶  [3]高压气阀  [4]缓冲气阀  [5]排气阀  [6]进水阀  [7]排水阀  [8]燃烧室  [9]温度控制装置  [10]压力传感器  [11]燃烧室顶盖  [12]温度传感器  [13]多靶线药架  [14]多靶线识别电路  [15]阀门控制驱动电路  [16]点火电路  [17]控制柜  [18]信号放大器  [19]I/O控制卡  [20] 多通道同步数据采集卡  [21]工控机  [22]打印机  [23]恒温槽。

具体实施方式

依据固体推进剂准动态燃烧性能测试方法的特点设计本套系统，由燃烧室及配气单元，测控单元和数据采集处理单元三大部分组成（图1）。燃烧室及配气单元为固体推进剂试样燃烧提供所需的测试环境；测控单元用于控制燃烧室的初始温度和压强，点火操作，探测燃烧室的温度、压强以及固体推进剂的实时燃烧参数，接收多靶线测控电路信号进行放大、A/D转换、通信，实施数据采集、处理、计算测试结果并存储。数据采集处理单元用于完成系统控制、数据处理和人机交互。

图1是本系统的结构示意图。高压氮气瓶[1]通过高压进气阀[3]与燃烧室[8]的进/排气孔连接，用于给燃烧室[8]和氮气缓冲瓶[2]加压，高压进气阀[3]为电磁气动阀。氮气缓冲瓶[2]通过缓冲气阀[4]与燃烧室[8]的进/排气孔连接，在测试时缓冲气阀[4]打开，使氮气缓冲瓶[2]与燃烧室[8]相通，使燃烧室压强保持稳定。缓冲阀[4]为电磁气动阀，受阀门控制信号控制用于连通氮气缓冲瓶与燃烧室，并给燃烧室和缓冲气瓶充气加压。排气阀[5]通过管道与燃烧室进气口连接。温度控制系统[9]受阀门控制信号控制将水加热(冷却)到设定的温度，其出水口通过进水阀[6]与燃烧室[8]底部的进/排水口连接，进水阀[6]是电磁阀，受控于阀门控制驱动信号。压强传感器[10]安装在进/排气口与燃烧室[8]连接的管道上，压强传感器[10]测得燃烧室的压强，并将压强信号送给数据采集卡[20]。温度传感器[12]安装在燃烧室[8]内，它测得燃烧室的温度，并将温度信号送给数据采集卡[20]。多靶线药架[13]和复杂条件下多靶线识别电路[14]用于靶线通断探测，并将测得的靶线断开信号送至信号放大器[18]进行放大。信号放大器[18]的输出端通过电缆与计算机内的数据采集卡[20]接口连接，数据采集卡[20]对压强信号、温度信号和各靶线断开信号采样并将采样数据传送给工控机[21]，由PC端软件进行数据处理。控制柜[17]和工控机[21]构成了本发明的控制系统，控制柜[17]内装有阀门控制驱动电路[15]和点火电路[16]，工控机[21]主板的PCI插槽上装有I/O控制卡[19]和数据采集卡[20]。燃烧室顶盖[11]的铜电极通过电缆与控制柜点火电路[16]连接。I/O控制卡[19]通过电缆与控制柜[17]连接用于控制阀门控制驱动电路[15]和点火电路[16]。工控机[21]运行数据采集处理单元，并连接有打印机[22]。控制柜[17]的面板上安装有指示灯和手动按钮，便于观察系统状态和应急操作。

燃烧室及配气单元是该系统的机械系统，包括燃烧室、恒温槽、高压氮气瓶、缓冲氮气瓶以及相关的阀门管路、氮气增压泵、多靶线药架。燃烧室为固体推进剂燃烧提供所要求的燃烧环境，其内部还设计有紧急排气孔，当燃烧室压强超过警戒值后，紧急排气孔会自动开启泄压。燃烧室安装于恒温槽之中，恒温槽用于对燃烧室温度的进行控制。燃烧室内部通过高压气路管道与缓冲氮气瓶、高压氮气瓶以及排气管相连，缓冲氮气瓶、高压氮气瓶以及排气管与燃烧室连通的管道上均安装有电磁气动阀控制气路的通断，排气孔与实验室外连通，通过控制电磁气动阀和排气孔的通断来实现对燃烧室压强的控制。氮气增压泵用来给缓冲氮气瓶和高压氮气瓶充压。多靶线药架与燃烧室一起组成一个密闭的压力容器系统，用以固定被测样品，多靶线药架在燃烧室内的一端有点火线一根接线柱、一根地线接线柱和6～10个靶线接线柱，用以连接电路。连接好的电路通过专用电缆引出燃烧室支架，与测控电路相连接。通过以上设计，可以减少各种因素对温度和压强调节的干扰，提高测量精度。

数据采集处理单元包括点火控制电路、复杂条件下（高温、高压、多粉尘）多靶线识别电路、PCI数据采集卡、温度压力传感器。点火控制电路、复杂条件下多靶线识别电路采用断点之间空间介质的非线性电阻大小来识别点火线通断识别判断，可有效地跟踪靶极间的电阻、电流的非线性变化过程，准确识别并判断测试过程中靶线的通断情况，可以依次记录测试过程中各条靶线依次断开的时刻，用计算机代替人工电秒表计时，达到了精确确定燃烧持续时间的技术要求（时间测试范围：0～99.9999s，时间测试精度：读数的0.5%±2ms，时间测试分辨率：0.1ms），使测试精度明显提高。PCI数据采集卡采用ADC+FPGA+ SDRAM的解决方案。卡上设计有1个高速数据采集通道(30Msps、12-bit)用于采集靶线通断信号；6个低速数据采集通道(10Ksps，16-bit)用于采集环境变量（温度、压强等）；另有16个数字IO用于系统的控制。

本系统设计采用了计算机测控技术和Windows操作系统，用Delphi语言编制测试控制软件，能够同时控制调节多种测量参数。其主界面设置有各种控制按扭，使操作更方便可靠。鉴于测试的高压环境，采用了试样检测、自动加压、互锁联锁功能来保证测试系统的安全，数据采集处理单元主要模块功能和工作流程见图2和图3。

本系统的数据采集处理处理程序，包括如下模块：系统模块、控制模块、测量模块、数据处理模块和数据管理模块。系统模块主要进行初始测试参数和测试数据采集参数的设定，系统设置一般在测量之前进行，主要是对送检样品批次、型号、长度等相关信息的设置，便于后期进行数据检索和固体推进剂性能的对比研究。控制模块主要进行压力控制、温度控制和点火控制操作，主要是对燃烧室温度和压强的控制，软件通过安装在燃烧室上的温度传感器和压力传感器来实时监测燃烧室的温度和压强，然后通过恒温槽和电磁阀等动作部件来调节燃烧室的温度和压强。为达到对燃烧室温度和压强快速平稳的控制，两个变量的调节均采用模糊PID控制技术。测量模块主要用于固体推进剂动态燃速的测试，主要进行压力采样、温度采样、采样波形显示、波形曲线绘制和数据保存的操作，用来测量每一条靶线烧断的时刻。数据处理模块主要进行测试数据有效性判定、准动态燃烧性能参数计算和打印报告单等操作。数据管理模块主要进行数据存储、数据检索和检测结果导出等操作，提供了一个检索测量数据的接口，操作人员可以按照一定的检索条件检索测量记录，并将检索结果导出到文本文件或Excel文件，为固体推进剂性能的对比研究提供了方便。

参照图2，它是本发明软件工作流程简图，结合该流程简图和系统的结构示意图说明其工作过程。

在进行测试前，使用系统模块设定各种测试参数，所有电磁气动阀都处于关闭状态。燃烧室顶盖[11]的铜电极上绑有点火丝和多条靶线。将燃烧室顶盖[11]插入燃烧室[8]并旋转使其密封好。通过软件控制模块，首先由I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，阀门控制驱动电路[15]向温度控制系统[9]发出控制信号，使其产生符合测试温度所需的水。由I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，打开缓冲气阀[4]连通燃烧室和氮气缓冲瓶[2]。此时压强传感器[10]感应燃烧室内压强经信号数据采集卡[20]传入计算机。如果燃烧室[8]内压强大于测试所需压强，则由I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，短时间打开排气阀[5]对燃烧室[8]减压，直到燃烧室[8]内压强符合测试要求。排气阀打开时间按照测量所需压强和实际压强之差按专门算法确定。如果燃烧室[8]内压强小于测试所需压强，则由I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，短时间打开高压进气阀[3]给燃烧室[8]和氮气缓冲瓶[2]加压。经工控机[21]内I/O控制卡[19]发出控制信号控制高压进气阀[3]和排气阀[5]打开、闭合使燃烧室内压强符合测试所需压强。在测试前关闭缓冲气阀[4]。

    当操作人员控制工控机[21]发出点火命令时，I/O控制卡[19]向点火电路[16]发出控制信号使点火电路通过电缆给燃烧室顶盖[11]的电极加以点火电流，从而使点火丝发热点燃固体推进剂试样。随着燃烧的持续，各条靶线依次断开，多靶线识别电路产生断开信号，并送入计算机内的数据采集卡[20]。同时温度传感器[12]和压强传感器[10]分别将燃烧室[8]内的温度数据和压强数据送入计算机内的数据采集卡[20]。最后数据采集卡[20]将采集到的信号转换成数字信号供计算机处理。工控机[21]实时采集温度、压强、各个靶线断开信号，并显示在软件界面上，同时将测试数据存储在硬盘上。

一次测试完成后，由工控机[21]自动检测燃烧室压强，并通过I/O控制卡[19]向阀门控制驱动电路[15]发出控制信号，控制高压进气阀[3]和排气阀[5]，调节燃烧室[8]和氮气缓冲瓶[2]内的压强达到测试所需压强。再由计算机发出点火信号点燃下一根试样并记录测试数据。重复前述过程。反复此过程直至所有试样都测试完毕。

每一次测试完成后，系统软件将采集到的实时温度、压强变化曲线保存在硬盘上，并自动对测试数据有效性判断，剔除异常数据，根据有效测试数据计算固体推进剂的准动态燃速燃烧性能参数，并打印测试报告单。

Claims (6)

1.固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统，包括燃烧室及配气单元，测控单元和数据采集处理单元，其特征在于：

所述的燃烧室及配气单元包括燃烧室、恒温槽、高压氮气瓶、缓冲氮气瓶、相关阀门管路、氮气增压泵和用以固定被测样品的多靶线药架，多靶线药架一端在燃烧室内有点火线接线柱、地线接线柱和6～10个靶线接线柱；

所述的测控单元包括点火电路，多靶线识别电路，多通道同步数据采集卡，温度传感器、压强传感器；测控单元控制燃烧室的初始温度和压强，点火操作，探测燃烧室的温度、压强，接收多靶线识别电路信号进行放大、A/D转换、通信，实施数据采集、处理、计算测试结果并进行存储；

所述的数据采集处理单元用于测控单元各功能块的调度与控制，以及测试数据的分析处理和数据管理。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统，其特征在于：所述的燃烧室及配气单元用于提供固体推进剂试样燃烧的场所以及测试时所需要的初始压强和初始温度环境，燃烧室有进气排气孔、应急排气孔和压强温度传感器安装孔，恒温槽用来保持燃烧室温度，缓冲氮气瓶和高压氮气瓶用来给燃烧室提供初始压强，氮气增压泵用来给缓冲氮气瓶和高压氮气瓶增压。

3.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统，其特征在于所述的数据采集处理单元用于实现对系统实时测控和数据分析处理，包括系统模块、控制模块、测量模块、数据处理模块和数据管理模块；

所述的系统模块进行初始测试参数和测试数据采集参数的设定；

所述的控制模块进行压强控制、温度控制和点火控制操作；

所述的测量模块用于固体推进剂多靶线准动态燃烧性能的测试，进行压强采样、温度采样、采样波形显示、波形曲线绘制和数据保存；

所述的数据处理模块进行测试数据有效性判别、准动态燃速计算、压强指数计算、燃速温度敏感系数和打印报告单；

所述的数据管理模块进行数据存储、数据检索和检测结果导出操作。

4.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统，其特征在于：多靶线测试单元中复杂条件下多靶线识别电路采用断点之间空间介质的非线性电阻大小进行靶线通断识别。

5.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测量系统，其特征在于：数据采集卡具有多路高速数据采集功能和多路开关量输入输出功能。

6.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测量系统，其特征在于：对温度和压强的控制采用模糊PID控制技术，对信号的检测采用相关检测算法。

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