CN103018397A - 二次脉冲压力耦合响应测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合推进剂压力耦合响应函数测量方法，属于固体火箭发动机领域。本发明主要由T型燃烧器主体，外接燃烧室以及可变喷喉尺寸喷管组件构成。将被测试件和试件药末与黑火药组成的激励源进行合理组合并进行周边包覆，分别置于T型燃烧器两端，通过试件的燃烧自发地在试件燃烧过程中和试件燃烧结束时分别施加两次脉冲触发，根据前后两次脉冲后测量所得的衰减常数即可求得被测试件的压力耦合响应特性。该方法脉冲施加方法简单易控，测量精度高，可重复利用性好，可测量不同频率范围内、不同压力范围内以及不同初温条件下复合推进剂的压力耦合响应特性。

Description

二次脉冲压力耦合响应测量方法

技术领域

本发明涉及一种二次脉冲压力耦合响应测量方法，属于固体火箭发动机领域。

背景技术

固体火箭发动机不稳定燃烧是困扰发动机设计人员的技术难题。研究表明，推进剂燃烧引起的压力耦合响应是固体火箭发动机不稳定燃烧的主要增益来源，从理论或试验上获取精确可靠的压力耦合响应数据具有重要的意义。

压力耦合响应函数是固体推进剂燃烧稳定性的一个特征量，也是预估固体火箭发动机工作稳定性的重要参数。通过几十年的研究，现已发展了多种测量压力耦合响应函数的方法，其中比较成熟且广泛采用的方法是T型燃烧器。在针对双基推进剂压力耦合响应函数测量中，常采用倍燃面二次衰减法进行数据处理。对于复合推进剂来讲，在T型燃烧器内难以产生自持振荡，需通过外加激励的方式引起振荡，即在试件燃烧过程中和燃烧刚刚结束时各施加一次脉冲，通过测量两次脉冲后的衰减常数，从而得到推进剂的增益系数。然而，传统的脉冲法不好选择脉冲施加时间且难以控制。为了改进复合推进剂压力耦合响应函数测量方法，提高测量精度，提出了一种新型的二次脉冲压力耦合响应测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统脉冲法的不足，设计了一种自发脉冲激励的装药方法，能够准确的在试件燃烧过程及燃烧刚刚结束时施加所需的脉冲激励。

本发明所需的设备仪器主要包括：T型燃烧器主体、高频压力传感器、3组不同长度的外接燃烧室、3组不同喷喉直径的喷管组件、端盖、堵头、点火线、点火药包、复合推进剂试件、脉冲源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体步骤包括：

步骤一：根据出现不稳定燃烧现象固体火箭发动机的工作压强及振荡频率，设计原始外接燃烧室，原始喷管组件及其喷喉尺寸，另外设计用于比较试验的两组测试外接燃烧室和测试喷管组件；

步骤二：将T型燃烧器主体与步骤一中原始外接燃烧室进行连接，然后固定在试验台架上；

步骤三：将点火药包置入步骤二中T型燃烧器两端，由点火线连接，并将点火线从T型燃烧器中央伸出；

步骤四：步骤三中T型燃烧器两端放置复合推进剂试件，复合推进剂试件中间位置及末端位置埋放由小粒黑火药和本体药末混合而成的点火药末，试件侧面和末端需进行严格包覆；

步骤五：将T型燃烧器主体与步骤一中原始喷管组件进行连接，并在T型燃烧器两端安置高频压力传感器，进行标定；

高频压力传感器具备的采样频率＞2000Hz

步骤六：再次检查试验系统，最后发出点火指令，进行试验测量，通过试件的燃烧，在燃烧室建立平衡压强后及燃烧结束时分别引起点火药末的燃烧，从而产生两次脉冲触发，通过测量两次脉冲后的衰减常数，得到推进剂的增益系数；

步骤七：试验结束后清理T型燃烧器空腔，更换不同初始温度的被测试件进行测试；在此基础上，逐次更换步骤一中设计的测试外接燃烧室与测试喷管组件，再对不同初始温度的被测试件进行比较试验；

步骤八：进行数据处理，确定被测复合推进剂在不同初温条件下、不同压力范围内、不同频率范围内的压力耦合响应函数特性。

数据处理过程：

在被测推进剂试件燃烧的中间时刻，中间位置的点火药末燃烧引起第一次脉冲激励，根据线性理论，压强振荡的振幅按照指数规律变化，选取第一次脉冲后的一段线性衰减区域，将该段内的压力-时间(p-t曲线)关系绘制在半对数坐标系内可得到一条直线，在该直线上任选两点(lnp₁，t₁)、(lnp₂，t₂)，可求得第一次脉冲后的衰减常数α₁，即推进剂燃面增益常数α_b和系统总阻尼常数α_d的代数和(α_b+α_d)：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{{\ln p}_2-{\ln p}_1}{t_2-t_1}---\left(1\right)$

当推进剂燃烧刚刚结束时，末端位置的点火药末燃烧引起第二个脉冲激励，选取第二次脉冲后的一段线性衰减区域，将该段内的压力-时间(p-t曲线)关系绘制在半对数坐标系内可得到另一条直线，在该直线上任选两点(lnp₃，t₃)、(lnp₄，t₄)，可求得第二次脉冲后的衰减段衰减常数α₂：

${\mathrm{\α}}_2=\frac{{\ln p}_4-{\ln p}_3}{t_4-t_3}---\left(2\right)$

由于施加第二次脉冲时，推进剂试件的燃烧已结束，所得衰减常数仅为系统阻尼常数，假设两次振荡时系统总阻尼相同，则α₂＝α_d。根据上述两式，推进剂燃面增益常数为：

α_b＝α₁-α₂                            (3)

根据T型燃烧器内的声能关系，可以得到燃面响应函数与燃面增益常数的关系：

$R_{\mathrm{bp}}^{\left(r\right)}=\frac{\stackrel{\‾}{p}}{2\stackrel{\stackrel{\‾}{\·}}{r}{\mathrm{\ρ}}_{p}a}(\frac{{\mathrm{\α}}_1}{f_1}-\frac{{\mathrm{\α}}_2}{f_2})---\left(4\right)$

其中：

是推进剂燃速；

是两次脉冲后衰减区间内的平均值；f₁是第一次衰减期平均频率；f₂是第二次衰减期平均频率；ρ_p是推进剂密度；a是实测声速。

所述的外接燃烧室与喷管可根据实际需要加工不同的尺寸，来测量复合推进剂试件在不同频率与压力下的压力耦合响应特性。

所述的点火药包剂量可根据所测频率条件下对应的T型燃烧器总容积和点火压强及点火药的火药力进行估算，并通过实际点火测试进行修正。点火剂量m_ig公式为：

$m_{\mathrm{ig}}\≈\frac{p_{\mathrm{ig}}{V}_g}{f_{\mathrm{ig}}}---\left(5\right)$

其中：p_ig为点火压强，V_g为T型燃烧器自由容积，f_ig为点火药力。

所述的复合推进剂试件需要在高温(+50℃)、室温(+20℃)及低温(-40℃)条件下分别测量，以便分析初始温度对压力耦合响应函数的影响。

本发明的工作过程是：

制作被测试件，并使其初始温度分别保持在+50℃，+20℃及-40℃条件下。选择并安装合适的外接燃烧室及喷管。将点火器装入T型燃烧器内部，把点火线从喷管中穿出。将装有复合推进剂试件的一对药杯分别从T型燃烧器两端装入燃烧室内，并用封头固定紧。将标定好的压力传感器安装在相应的位置。再次检查设备。最后接好点火线路，给操作人员发送点火信号，进行点火试验。根据所测数据进行数据分析。

本发明的有益效果是：

本发明方法中，两次脉冲均在压力波腹的位置，能够最有效的激发燃烧室内的基频振型，大大提高了压力耦合响应函数计算精度。克服了传统脉冲法难以控制脉冲施加时间的缺点，避免了脉冲对燃面的影响。采用的可变长度燃烧室及可变喷喉直径喷管结构简单，重复利用性好，能够测量较大频率范围与压力范围内的压力耦合响应特性。

附图说明

图1为本发明二脉冲压力耦合响应测量法采用的自发脉冲激励装药方法示意图。

其中，1-T型燃烧端盖；2-堵头；3-被测试件包覆层；4-第二次脉冲源；5-被测试件；6-第一次脉冲源；7-第一压力传感器；8-点火药包；9-外接燃烧室；10-点火线；11-可变喷喉尺寸喷管组件；12-T型燃烧器主体；13-第二压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，将T型燃烧器固定在试验台架上，选取合适的外接燃烧室9与T型燃烧器主体12连接。将点火药包8置入T型燃烧器两端，由点火线10连接，通过T型燃烧器中央伸出。将包覆好的被测试件5放入T型燃烧器两端，并通过堵头2与T型燃烧器端盖1进行封闭将合适的喷管组件11与T型燃烧器主体12连接，安装第一压力传感器7、第二压力传感器13，并进行标定。再次检查试验系统，准备工作完毕后，发送点火信号，进行试验测试。

在图1中，T型燃烧器主体12与外接燃烧室9通过法兰盘连接，与可变喷喉尺寸喷管组件11通过螺纹进行连接，T型燃烧端盖1与外接燃烧室9通过螺纹连接，为了保证T型燃烧器的整体气密性，连接处采用紫铜高温高压密封垫圈进行密封。被测试件5周边需要精心包覆，以保证试件仅为端面燃烧。被测试件5需在三个温度条件下(+50℃，+20℃及-40℃)进行压力耦合响应函数测量，因此在试验前需要对试件进行保温处理。被测试件5需在较大的频率范围内(100-1000Hz)进行测量，外接燃烧室9长度需根据测试频率进行设计选取，为保证压力信号不失真，第一压力传感器7和第二压力传感器13采样频率不低于2000Hz。被测试件5需在较大压力范围内(5-15Mpa)测量，可变喷喉尺寸喷管组件11要根据测试压力进行设计选取。

本发明中，试验系统可重复利用，每次试验结束后，将T型燃烧器内的残留物清理干净，确保T型燃烧器阻尼特性在每次试验中保持一致。

T型燃烧器工作在高温高压条件下，因此在连接处必须加有高温高压密封垫。T型燃烧器和试验台架要紧紧固定。此外，测试系统需要和试验人员进行隔离，以保证试验过程中的人生安全。

以上所述为本发明的较佳实施例，不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种二次脉冲压力耦合响应测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据出现不稳定燃烧现象固体火箭发动机的工作压强及振荡频率，设计原始外接燃烧室，原始喷管组件及其喷喉尺寸，另外设计用于比较试验的两组测试外接燃烧室和测试喷管组件；

步骤二：将T型燃烧器主体与步骤一中原始外接燃烧室进行连接，然后固定在试验台架上；

步骤三：将点火药包置入步骤二中T型燃烧器两端，由点火线连接，并将点火线从T型燃烧器中央伸出；

步骤四：步骤三中T型燃烧器两端放置复合推进剂试件，复合推进剂试件中间位置及末端位置埋放由小粒黑火药和本体药末混合而成的点火药末，试件侧面和末端需进行严格包覆；

步骤五：将T型燃烧器主体与步骤一中原始喷管组件进行连接，并在T型燃烧器两端安置高频压力传感器，进行标定；

步骤六：再次检查试验系统，最后发出点火指令，进行试验测量，通过试件的燃烧，在燃烧室建立平衡压强后及燃烧结束时分别引起点火药末的燃烧，从而产生两次脉冲触发，通过测量两次脉冲后的衰减常数，得到推进剂的增益系数；

步骤七：试验结束后清理T型燃烧器空腔，更换不同初始温度的被测试件进行测试；在此基础上，逐次更换步骤一中设计的测试外接燃烧室与测试喷管组件，再对不同初始温度的被测试件进行比较试验；

步骤八：进行数据处理，确定被测复合推进剂在不同初温条件下、不同压力范围内、不同频率范围内的压力耦合响应函数特性。

2.如权利要求1所述的二次脉冲压力耦合响应测量方法，其特征在于：数据处理过程为：

在被测推进剂试件燃烧的中间时刻，中间位置的点火药末燃烧引起第一次脉冲激励，根据线性理论，压强振荡的振幅按照指数规律变化，选取第一次脉冲后的一段线性衰减区域，将该段内的压力-时间(p-t曲线)关系绘制在半对数坐标系内可得到一条直线，在该直线上任选两点(lnp₁，t₁)、(lnp₂，t₂)，可求得第一次脉冲后的衰减常数α₁，即推进剂燃面增益常数α_b和系统总阻尼常数α_d的代数和(α_b+α_d)：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{{\ln p}_2-{\ln p}_1}{t_2-t_1}---\left(1\right)$

当推进剂燃烧刚刚结束时，末端位置的点火药末燃烧引起第二个脉冲激励，选取第二次脉冲后的一段线性衰减区域，将该段内的压力-时间(p-t曲线)关系绘制在半对数坐标系内可得到另一条直线，在该直线上任选两点(lnp₃，t₃)、(lnp₄，t₄)，可求得第二次脉冲后的衰减段衰减常数α₂：

${\mathrm{\α}}_2=\frac{{\ln p}_4-{\ln p}_3}{t_4-t_3}---\left(2\right)$

由于施加第二次脉冲时，推进剂试件的燃烧已结束，所得衰减常数仅为系统阻尼常数，假设两次振荡时系统总阻尼相同，则α₂＝α_d；根据上述两式，推进剂燃面增益常数为：

α_b＝α₁-α₂                            (3)

根据T型燃烧器内的声能关系，可以得到燃面响应函数与燃面增益常数的关系：

$R_{\mathrm{bp}}^{\left(r\right)}=\frac{\stackrel{\‾}{p}}{2\stackrel{\stackrel{\‾}{\·}}{r}{\mathrm{\ρ}}_{p}a}(\frac{{\mathrm{\α}}_1}{f_1}-\frac{{\mathrm{\α}}_2}{f_2})---\left(4\right)$

其中：是推进剂燃速；

是两次脉冲后衰减区间内的平均值；f₁是第一次衰减期平均频率；f₂是第二次衰减期平均频率；ρ_P是推进剂密度；a是实测声速；

外接燃烧室与喷管可根据实际需要加工不同的尺寸，来测量复合推进剂试件在不同频率与压力下的压力耦合响应特性；

点火药包剂量可根据所测频率条件下对应的T型燃烧器总容积和点火压强及点火药的火药力进行估算，并通过实际点火测试进行修正；点火剂量m_ig公式为：

$m_{\mathrm{ig}}\≈\frac{p_{\mathrm{ig}}{V}_g}{f_{\mathrm{ig}}}---\left(5\right)$

其中：p_ig为点火压强，V_g为T型燃烧器自由容积，f_ig为点火药力；

所述的复合推进剂试件需要在高温(+50℃)、室温(+20℃)及低温(-40℃)条件下分别测量，以便分析初始温度对压力耦合响应函数的影响。

3.如权利要求1所述的二次脉冲压力耦合响应测量方法，其特征在于：T型燃烧器主体、外接燃烧室、可变喷喉尺寸喷管组件分体加工，根据不同的条件更换不同尺寸的外接燃烧室及喷管组件，从而测试不同频率及压力范围内的压力耦合响应特性。

4.如权利要求1所述的二次脉冲压力耦合响应测量方法，其特征在于：高频压力传感器具备的采样频率＞2000Hz。

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