CN104374865A - 一种用于固体推进剂燃速的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于固体推进剂燃速的测试装置及测试方法，测试装置包括点火器、气缸、活塞、燃烧器、喷管,燃烧器为一端开口的圆筒形,喷管固定在燃烧器侧壁上,气缸安装在燃烧器外侧,活塞杆的一端穿过燃烧器侧壁上凸台孔与燃烧器内喷管端部相对；点火器安装在燃烧器的外部,两个点火药包分别放置在燃烧器内和气缸内,两个点火药包分别与点火器连接,燃烧器端盖上安装有安全膜和压力传感器。当点火药包点燃推进剂燃烧一定时间后，气缸活塞的一端将喷管端封闭，并进行测试。在测试得到燃烧器压强～时间数据，利用数值计算方法，求解出燃速～时间曲线，由实验获得的压强～时间曲线数据即可获得较宽压强范围内的燃速～压强数据对应关系。

Description

一种用于固体推进剂燃速的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于固体火箭发动机推进剂测试技术领域，具体地说,涉及一种用于固体推进剂燃速的测试装置及测试方法。

背景技术

测试固体推进剂燃速主要是获得不同压强对应的推进剂燃速。目前测试固体推进剂燃速的方法包括标准发动机法、药条法、超声法、靶线法和密闭燃烧器法(固体火箭发动机原理，国防工业出版社，2013年)。其中，密闭燃烧器法可通过一次实验获得较宽压强范围内推进剂燃速数据，其它方法则需要通过多次实验来测试给定压强范围内的燃速。文献“密闭燃烧器法的实验研究”(西北工业大学硕士论文，2003年3月)中，对利用密闭燃烧器测定固体推进剂燃速的方法进行详细的实验研究，在其文中提出密闭燃烧器法的主要问题包括:(1)在实验前需要对密闭燃烧器的初始容积进行精确测试；(2)由于存在各种热损失，需要对燃烧温度进行修正；(3)推进剂燃烧后，燃气会将处于环境温度的燃烧器壳体和内部气体进行加热，在推进剂燃烧的初期，燃气生成量很小，这不仅会产生很高比例的温度损失、而且这一损失还难以准确计算，因此该方法在低压下即燃烧初期,燃速测试的准确性较低；(4)需要对推进剂试件全部尺寸进行精确测试，由于试件尺寸小，测试精度要求较高。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于固体推进剂燃速的测试装置及测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:固体推进剂燃速的测试装置包括点火器、气缸、活塞、安全膜、压力传感器、点火药包A、燃烧器、点火药包B、喷管,所述燃烧器为一端开口的圆筒形结构,喷管固定在燃烧器侧壁上部,与喷管相对的燃烧器侧壁上有凸台孔,气缸固定在燃烧器外侧,活塞杆的一端穿过燃烧器上凸台孔与燃烧器内喷管端部相对,且气缸、活塞与喷管位于同一轴线上,点火器位于燃烧器的外部,点火药包B放置在燃烧器内,点火药包A放置在气缸内活塞前面,两个点火药包分别与点火器连接,燃烧器端盖与燃烧器开口端凸缘通过螺栓固连,燃烧器端盖上安装有安全膜和压力传感器。

一种采用所述燃速测试装置进行固体推进剂燃速测试的方法,其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定固体推进剂形状和尺寸,将固体推进剂一端面和侧面进行包覆，在燃烧器与气缸内分别放置点火药包B和点火药包A；点火器的两路点火电流均为6A；

步骤2.启动数据采集系统，通过压力传感器记录燃烧器内的压强，数据采集系统同步记录点火器点燃第2路点火药包A的点火信号；

步骤3.实验时点火器发出第1路点火信号将点火药包B点燃，点火药包B点燃固体推进剂，燃气从喷管排出，燃烧器内压强逐渐达到平衡值；

步骤4.当燃烧器内压强平稳后，点火器发出第2路点火信号，点火药包A点燃，点火药包A产生高压燃气推动气缸内活塞运动，活塞的前端面与燃烧器内喷管出口接触封闭，燃烧器内压强上升，推进剂燃烧完毕，实验结束；

步骤5.数据处理；

(1)在测试得到的燃烧器压强～时间数据曲线上，分别读取点火药包A点燃前和点燃后对应的推进剂燃烧时间t₁和t₂；

(2)燃烧器的压强、推进剂燃速和推进剂药柱高度需满足以下关系式:

$r=r_0\exp \left({\∫}_{t_1}^t\frac{\frac{d^{2}P}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_P{R}_{g}T-P}[{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}]}{\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}}\mathrm{dt}\right)---\left(1\right)$

$L=r_0{t}_1+{\∫}_{t_1}^{t_1+t_2}\mathrm{rdt}---\left(2\right)$

式中:r为推进剂燃速，P为燃烧器压强，t为时间，ρ_P为推进剂密度，R_g为燃气的气体常数，T为燃气温度，L为推进剂药柱的高度；

(3)利用数值计算方法，结合试验数据获得的压强～时间曲线，编写计算程序，通过公式(1)和公式(2)求解出燃速～时间曲线，由实验获得的压强～时间曲线即可得到燃速～压强曲线。

有益效果

本发明提出的固体推进剂燃速的测试装置及测试方法,从计算公式(1)和公式(2)可看出，本发明只与推进剂药柱的高度L有关系、与推进剂的其它尺寸没有任何关系。因此，在实验前需要测量推进剂药柱的高度，无需测量燃烧器的容积。增加推进剂药柱的高度L，可降低对尺寸测量精确度的要求。

本发明测试装置内的推进剂点燃后,先燃烧一定时间，再由活塞的一端与喷管出口接触封闭，此时燃烧器内已充储高温燃气，并且燃烧器本体也因燃气加热到较高的温度。因此，密闭燃烧器法在低压下因热损失比例大,且难以准确估计导致的燃速测试不准的问题，对于本发明没有影响，即无需进行燃烧温度修正。

当燃烧器的喷管被密封住以后，本发明与密闭燃烧器法类似，因此通过一次实验也可获得较宽压强范围内的燃速～压强数据对应关系。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于固体推进剂燃速的测试装置及测试方法作进一步详细说明。

图1为本发明固体推进剂燃速的测试装置示意图。

图2为本发明的活塞前端面与燃烧器的喷管出口处密封示意图。

图3为压强～时间曲线。

图4为压强对时间的一阶导数曲线。

图5为压强对时间的二阶导数曲线。

图6为燃速～时间数据曲线。

图7为燃速～压强数据曲线。

图中:

1.点火器2.气缸3.活塞4.安全膜5.压力传感器6.点火药包A 7.燃烧器8.推进剂9.点火药包B 10.喷管

具体实施方式

本实施例是一种用于固体推进剂燃速的测试装置及测试方法。

参阅图1～图2，本实施例固体推进剂燃速的测试装置,由点火器1、气缸2、活塞3、安全膜4、压力传感器5、点火药包A6、燃烧器7、点火药包B9、喷管10和推进剂8组成；燃烧器7为一端开口的圆筒形结构,喷管10固定安装在燃烧器7侧壁上部,与喷管10相对的燃烧器7侧壁上有凸台孔；气缸2固定在燃烧器7的外侧,活塞杆的一端穿过燃烧器7上凸台孔与燃烧器内喷管10端部相对,且气缸2的中轴线、活塞3的中轴线、喷管10的中轴线在同一直线上；点火器1安装在燃烧器7的外部,点火药包B9放置在燃烧器7内,点火药包A6放置在气缸2内活塞前面,两个点火药包分别与点火器1连接,燃烧器端盖与燃烧器7开口端凸缘通过螺栓固定连接,燃烧器端盖上安装有安全膜4和压力传感器5。

本实施例测试装置结构参数:

气缸直径为100mm、长度为200mm；燃烧器内径为80mm，燃烧器内腔长度为350mm，壁厚为30mm；喷管直径为5.5mm；活塞杆采用钨渗铜材料,直径为30mm；点火药包A采用黑火药,重量为150g；点火药包B采用黑火药,重量为300g；推进剂药柱高度为60mm；点火器的两路点火电流均为6A。

基于上述固体推进剂燃速的测试装置,本发明还提出了一种固体推进剂燃速的测试方法,按以下步骤进行:

(1)实验前,在燃烧器7内装入圆柱形固体推进剂8，推进剂8的一个端面和侧面包覆,另一个端面燃烧。在燃烧器7和气缸2中分别放置点火药包B9和点火药包A6，点火药包B9和点火药包A6分别与点火器1相连接。

(2)在点火前，启动数据采集系统，通过压力传感器5记录燃烧器7的压强，直至实验结束；数据采集系统同步记录第2路点火信号即点燃点火药包A6的输出时刻。

(3)实验时，点火器1发出第1路点火信号，将点火药包B9点燃，点火药包B9将固体推进剂8点燃；固体推进剂8燃烧后，燃气从喷管10排出，燃烧器7内压强逐渐达到平衡值。

(4)当燃烧器7的压强达到平稳后，点火器1发出第2路点火信号，将点火药包A6点燃；点火药包A6瞬间产生高压燃气，推动气缸2活塞3快速向前运动，活塞3前端面与燃烧器7的喷管出口接触封闭，此时燃烧器7的压强迅速上升；当推进剂8燃烧完毕，实验结束。

在实验过程中,如果燃烧器7的压强超过预先设定的安全值，安全膜4会在燃气压力作用下自动爆破，燃烧器7的压强逐渐降低，以保证安全。

数据处理方法:

(1)按照GJB97A-2001“标准试验发动机技术要求和数据处理”所提出的方法，从压强～时间数据中读取推进剂点火起始时刻t0；以压强～时间曲线为例，读取得到推进剂点火起始时刻t₀＝0.07s；

(2)从数据采集系统记录的第2路点火信号数据中，读取点火信号的发出时刻t_ig,2＝1.45s；

(3)从压强～时间数据中读取燃烧室压强最大值对应的时刻t_e＝2.045s，作为推进剂燃烧结束时刻；

(4)计算推进剂的两个燃烧时间

t₁＝t_ig,2-t₀＝1.38s

t₂＝t_e-t_ig,2＝0.595s

(5)对燃烧器的压强～时间实验数据，利用数值分析中“三次样条求导法”计算压强对时间的一阶导数结果如图4所示；

(6)对第(5)步中获得的数据，再次使用“三次样条求导法”，计算压强对时间的二阶导数结果如图5；

(7)采用二分法求解燃速r₀

(7.1)令r_0,min＝0，r_0,max＝1m/s

(7.2)计算 $r_0=\frac{r_{0,\min }+r_{0,\max }}{2}$

(7.3)利用数值分析中“四阶龙格-库塔法”对公式(1)和公式(2)进行积分计算，得到r～t和L～t；

(7.4)如果t＝t₁+t₂时刻计算得到的推进剂药柱高度L与实验前测得的药柱高度L₀之间满足下式，表明燃速r₀即为所求解的值，转入第(8)步处理过程；

$\left|\frac{L-L_0}{L_0}\right|<{10}^{-4}$

如果t＝t₁+t₂时刻计算得到的推进剂药柱高度L′大于实验前测得的药柱高度L，说明燃速r₀偏大；取r_0,max＝r₀，转入(7.2)重新计算；

如果t＝t₁+t₂时刻计算得到的推进剂药柱高度L′小于实验前测得的药柱高度L，说明燃速r₀偏小；取r_0,min＝r₀，转入(7.2)重新计算；

(8)根据实验获得的压强～时间数据，上述计算得到的燃速～时间数据，可得到燃速压强数据，即推进剂燃速与压强的对应关系，从而完成实验数据处理。

Claims (2)

1.一种用于固体推进剂燃速的测试装置,其特征在于:包括点火器、气缸、活塞、安全膜、压力传感器、点火药包A、燃烧器、点火药包B、喷管,所述燃烧器为一端开口的圆筒形结构,喷管固定在燃烧器侧壁上部,与喷管相对的燃烧器侧壁上有凸台孔,气缸固定在燃烧器外侧,活塞杆的一端穿过燃烧器上凸台孔与燃烧器内喷管端部相对,且气缸、活塞与喷管位于同一轴线上,点火器位于燃烧器的外部,点火药包B放置在燃烧器内,点火药包A放置在气缸内活塞前面,两个点火药包分别与点火器连接,燃烧器端盖与燃烧器开口端凸缘通过螺栓固连,燃烧器端盖上安装有安全膜和压力传感器。

2.一种采用权利要求1所述的燃速测试装置进行固体推进剂燃速测试的方法,其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定固体推进剂形状和尺寸,将固体推进剂一端面和侧面进行包覆，在燃烧器与气缸内分别放置点火药包B和点火药包A；点火器的两路点火电流均为6A；

步骤2.启动数据采集系统，通过压力传感器记录燃烧器内的压强，数据采集系统同步记录点火器点燃第2路点火药包A的点火信号；

步骤3.实验时点火器发出第1路点火信号将点火药包B点燃，点火药包B点燃固体推进剂，燃气从喷管排出，燃烧器内压强逐渐达到平衡值；

步骤4.当燃烧器内压强平稳后，点火器发出第2路点火信号，点火药包A点燃，点火药包A产生高压燃气推动气缸内活塞运动，活塞的前端面与燃烧器内喷管出口接触封闭，燃烧器内压强上升，推进剂燃烧完毕，实验结束；

步骤5.数据处理；

(1)在测试得到的燃烧器压强～时间数据曲线上，分别读取点火药包A点燃前和点燃后对应的推进剂燃烧时间t₁和t₂；

(2)燃烧器的压强、推进剂燃速和推进剂药柱高度需满足以下关系式:

$r=r_0\exp \left({\&Integral;}_{t_1}^t\frac{\frac{d^{2}P}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_P{R}_{g}T-P}[{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}]}{\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}}\mathrm{dt}\right)---\left(1\right)$

$L=r_0{t}_1+{\&Integral;}_{t_1}^{t_1+t_2}\mathrm{rdt}---\left(2\right)$

式中:r为推进剂燃速，P为燃烧器压强，t为时间，ρ_P为推进剂密度，R_g为燃气的气体常数，T为燃气温度，L为推进剂药柱的高度；

(3)利用数值计算方法，结合试验数据获得的压强～时间曲线，编写计算程序，通过公式(1)和公式(2)求解出燃速～时间曲线，由实验获得的压强～时间曲线即可得到燃速～压强曲线。