CN104950007A - 一种固体推进剂点火、燃速一体化测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体推进剂点火、燃速一体化测试装置，包括燃烧室及配气单元，激光发射与光信号接收单元和测控单元。所述的燃烧室及配气单元包括燃烧室、半导体温度控制装置、试样支架等。所述的激光发射与光信号接收单元包括CO₂激光器、激光光路能量优化系统、全反射棱镜、光电探测器。所述的测控单元包括信号放大器、同步数据采集卡、点火信号同步装置、I/O控制卡、计算机及温度传感器、压力传感器和测控软件。本测试装置可在一次测试中同时测试固体推进剂燃烧的激光点火性能和燃烧性能，属于固体推进剂性能测试范畴，而现有的测试仪器只能分别对点火和燃烧进行测试，本装置具有上述两类仪器的全部功能，具有快捷、高效的特点。

Description

一种固体推进剂点火、燃速一体化测试装置

技术领域

本发明涉及一种固体推进剂点火和燃烧性能测试装置，属于测试技术领域。

背景技术

固体推进剂的点火是在能量作用下固体推进剂局部表面的温度升高到发火点以上，并使该处发生燃烧，进而传播到整个装药的燃烧面使其发生燃烧的过程。点火是固体推进剂燃速的初始阶段，点火是否可靠直接影响到固体推进剂燃烧的均匀性，是否正常燃烧以及发动机燃烧室内是否产生过高的一次压力峰等。所以，推进剂都必须具备良好的点火性能，以保证武器装备正常工作。因此，对固体推进剂的点火难易度进行评价是固体推进剂设计、生产的一个重要环节。

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。

现有的固体推进剂点火性能测试装置和燃速测试装置只是分别对点火过程和燃烧速度进行测试，固体推进剂的点火和燃烧是一个连续发生的过程，进行点火测试时必须经过点火过程使固体推进剂达到燃烧状态为止，进行燃烧速度测试时必须点燃固体推进剂后才能进行正常测试，所以可以在固体推进剂点火燃烧过程中对其点火延迟时间和燃烧时间同时测试，设计出一种对固体推进剂点火特性和燃烧特性同时测试的简单、高效、快捷的一体化测试装置，以缩短固体推进剂的科研、生产周期，提高工作效率。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种能够方便、快捷地同时测出固体推进剂激光点火性能和燃烧性能的多功能一体化测试装置。

本发明提供的固体推进剂点火、燃速一体化测试装置，包括燃烧室及配气单元、激光发射与光信号接收单元和测控单元。可对常见的固体推进剂如双基推进剂、改性双基推进剂、复合推进剂等进行激光点火性能和燃烧性能进行测试，也可用于盛于管状容器中的未固化推进剂药浆、凝胶推进剂和膏体推进剂进行激光点火性能和燃烧性能进行测试。

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，包括燃烧室、半导体温度控制装置、高压氮气瓶、缓冲氮气瓶、真空泵以及氮气增压泵、试样支架。燃烧室有进气排气孔、应急排气孔和压力温度传感器安装孔，燃烧室外壁贴有半导体制热制冷装置，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；燃烧室顶部有一可打开的顶盖，顶盖中央镶嵌透镜，用于激光进入。燃烧室侧壁开有圆形视窗，内装耐压石英玻璃。燃烧室底端有试样支架，用于固定被测药条。燃烧室顶盖、试样支架和燃烧室一起组成一个密闭的压力容器系统，燃烧室的排气孔外还可连接真空压缩泵，用以进行真空环境下测试。

所述的激光发射与光信号接收单元用于提供点火测试所需的激光器及其光路系统以及探测固体推进剂点火燃烧过程中发光强度的大小和持续时间，包括CO₂激光器、激光光路能量优化系统、全反射棱镜、光电探测器、激光功率计。CO₂激光器用于提供固体推进剂点火所需能量，光路能量优化系统用于光束匀化器将高斯光束匀化成平行光束，使激光光强分布均匀。激光功率计用于测试照射在固体推进剂点火表面上的激光的能量。光电探测器用来将燃烧室内固体推进剂点火燃烧时发射的可见光的强度信号转换为电信号。全反射棱镜用于改变激光方向。

所述的测控单元包括信号放大器、同步数据采集卡、温度传感器、压力传感器、点火信号同步装置、I/O控制卡、同步数据采集卡、计算机及测控软件。

所述的测控单元用于对测试过程进行控制燃烧室的初始温度和压强，点火同步控制操作，探测燃烧室的温度、压强以及固体推进剂点火燃烧过程的实时发光强度，接收可见光光强度信号进行放大、A/D转换、通信，实施数据采集、处理、分辨点火和燃烧过程确定点火延迟时间以及燃烧时间、计算测试结果并存储等功能。所述的测控软件用于实现对系统实时测控和数据分析处理软件两大功能，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。控制模块主要进行压力控制、温度控制和点火同步控制操作。测量模块主要用于固体推进剂点火延迟时间和燃烧时间的测试，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。数据处理模块主要进行测试数据有效性判别、最小点火能量计算、燃速计算、燃速压力指数计算和打印报告单等操作。数据管理模块主要进行结果存储、结果检索和检测结果导出等操作。

所述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。

本发明具有下述优点：

1、本测试装置兼具固体推进剂激光点火测试系统和固体推进剂静态燃速测试系统的全部功能，可以实现在一次点火燃烧过程中同时进行固体推进剂点火延迟时间和燃烧速度的测试。

2、现有的激光点火测试装置都不具备在高低温下环境中测试固体推进剂点火特性的功能，本发明可在燃烧室模拟固体推进剂在实际应用中可能遇到的高温、高寒环境，用来研究极端高低温条件对固体推进剂点火性能的影响。

3、本测试装置测试固体推进剂燃速采用光信号发射法，通过记录固体推进剂被点燃后的燃烧火焰可见光强强到一定大小后持续的时间，以此来计算静态燃速。与目前通用的水下声发射静态燃速测试方法相比，该方法克服了测试系统周围各种背景噪声对燃速测试过程和结果的影响，非常适用于复杂背景噪声和高压下的燃速测试工作。

4、与现有的水下声发射燃速测试系统相比，本测试装置处理的是光信号，具有响应快、信号稳定的特点，可进行高燃速乃至超高燃速固体推进剂的燃速测试。在进行常规燃速固体推进剂测试时，可以适当减小被测试样药条的长度，节约成本。

5、本测试装置是在合并现有的固体推进剂激光点火测试装置和燃速测试装置基础上，通过对燃烧室系统进行改进后得出，在实际操作中易于实现。

附图说明

图1系统结构示意图，[1]高压氮气瓶、[2]缓冲氮气瓶、[3]高压气阀、[4]缓冲气阀、[5]排气阀、[6]CO₂激光器、[7]激光光路能量优化系统、[8]燃烧室、[9]半导体温度控制装置、[10]压力传感器、[11]燃烧室顶盖、[12]温度传感器、[13]试样支架、[14]光电探测器、[15]阀门控制驱动电路、[16]点火信号同步装置、[17]控制柜、[18]信号放大器、[19]I/O控制卡、[20]同步数据采集卡、[21]计算机及测控软件、[22]固体推进剂试样、[23]真空泵、[24]全反射棱镜、[24]氮气增压泵。

图2测控软件主要功能模块示意图。

图3装置工作流程简图。

具体实施方式

如图1，本发明由燃烧室及配气单元，激光发射与光信号接收单元和测控单元三部分组成。燃烧室及配气单元为固体推进剂试样点火燃烧提供所需的测试环境；激光发射与光信号接收单元用于进行激光光束的控制，并对固体推进剂点火燃烧过程的可见光信号进行采集；测控单元用于控制燃烧室的初始温度和压强，点火操作，对光电探测器信号进行采集、处理、计算测试结果并存储。

燃烧室及配气单元是该系统的机械装置，包括燃烧室8、半导体温度控制装置9、高压氮气瓶1、缓冲氮气瓶2、真空泵23以及相关的阀门管路、氮气增压泵24、试样支架13。燃烧室8为固体推进剂燃烧提供所要求的燃烧环境，在其顶部为一可单向打开的燃烧室顶盖11，顶盖中央有一直径为10mm的孔，内装锗玻璃，用于激光进入。在燃烧室的侧壁有一直径为100mm的圆形视窗，内装耐压石英玻璃。其内部还设计有紧急排气孔，当燃烧室8压强超过警戒值后，紧急排气孔会自动开启泄压。燃烧室8外部贴有半导体制冷制热片，最外层以夹套保护，用于对燃烧室8内温度的进行控制。燃烧室8内部通过高压气路管道与缓冲氮气瓶2、高压氮气瓶1以及排气管相连，缓冲氮气瓶2、高压氮气瓶1以及排气管与燃烧室8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8压强的控制。氮气增压24泵用来给缓冲氮气瓶2和高压氮气瓶1充压。排气管还可以与真空泵23连接，用以测试固体推进剂在超低压或真空环境下的点火和燃烧性能。燃烧室8下方有试样支架13开口，试样支架13可以使被测固体推进剂试样22垂直立固定于燃烧室8的中心轴线上，使被测固体推进剂试样22上表面接受激光照射，试样支架13可调节试验高低，使固体推进剂试样22与燃烧室8侧壁的视窗平齐，试样支架13与燃烧室8一起组成一个密闭的压力容器系统。

激光发射与光信号接收单元包括CO₂激光器6、激光功率计、激光光路能量优化系统7、全反射棱镜24、光电探测器14等。CO₂激光器6用于提供固体推进剂试样22点火所需能量，输出波长10.6μm，功率0～250W，脉冲能量10mJ/pulse，脉冲频率1-25kHz(可调)，脉宽1us～10ms，光路能量优化系统7用光束匀化器将高斯光束匀化成平行光束，使激光光强分布均匀。激光功率计用于测试照射在固体推进剂试样22点火表面上的激光的能量，测试范围0～300W。光电探测器14用来将燃烧室8内固体推进剂试样22点火燃烧时发射的可见光的强度信号转换为电信号，响应时间5ns。全反射棱镜24为直角棱镜，用于改变激光光束方向。

测控单元包括信号放大器18、同步数据采集卡20、温度传感器12、压力传感器10、点火信号同步装置16、I/O控制卡19、同步数据采集卡20、计算机及测控软件21信号放大器18用于将光电探测器14得到的电信号进行前置放大，送入同步数据采集卡20进行处理。温度传感器12和压力传感器10用于测定燃烧室8内初始温度和压强的大小。同步数据采集卡20用于采集可见光信号和温度压强信号，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)用于采集光信号；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。测控软件包括系统模块、控制模块、测量模块、数据处理模块和数据管理模块。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8温度和压强的控制，软件通过安装在燃烧室8上的温度传感器12和压力传感器10来实时监测燃烧室8的温度和压强，然后通过半导体温度控制装置9和电磁阀等动作部件来调节燃烧室8的温度和压强。为达到对燃烧室8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点火延迟时间、最小点火能量、燃速、燃速压力指数的测试，主要进行压力采样、采样波形显示、波形曲线绘制和数据保存的操作，可以根据光强的变化情况判断点火和燃烧过程，记录点火延迟时间和推进剂燃烧时间，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)。数据处理模块主要进行测试数据有效性判定、点火延迟时间计算和燃速计算、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3，它是本发明工作流程简图，结合该流程简图和系统的结构示意图说明其工作过程。

调节CO₂激光器6输出功率，用激光功率计测量激光射到燃烧室8内的激光强度。进行测试前，使用游标卡尺测量包覆过的试样药条22的长度，将试样药条22竖直固定在药条支架13上，将药条支架13装入燃烧室8底部并旋转使其密封好，关闭燃烧室8上方顶盖11。打开激光器6的指示光源，使光斑正好照射在固体推进剂试样22药条的上端面上，关闭指示光源。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。通过测控软件控制模块，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向半导体温度控制系统9发出控制信号，使其产生符合测试温度所需的温度，达到测试初始温度后保持30min。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连通燃烧室和缓冲氮气瓶2。此时压强传感器10感应燃烧室8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。经计算机内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8内压强符合测试所需压强。进行真空测试时，在测试前关闭缓冲气阀4，开启排气阀23，启动真空压缩泵23降低燃烧室8压强。

当操作人员控制计算机发出“开始试验”命令后，光电探测器14开始工作，激光器6出光口挡光板弹开，启动“出光”按钮，激光射出，经过光路能量优化系统7、全反射棱镜24、燃烧室上顶盖11透镜射在试样药条22上端面处，推进剂开始点火燃烧。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。计算机及软件系统实时采集温度、压强、推进剂点火燃烧过程发出的可见光强度信号，自动计算点火延迟时间、最小点火能量、燃烧速度，并显示在软件界面上，同时将测试数据存储在硬盘上。若系统自动选择的点火、燃烧过程时间不够准确，可在软件操作界面上手动选择点火、燃烧过程起始的时刻进行计算分析。一次测试完成后，打开排气阀5排气(真空测试时充气)，旋出试样药架13，清理燃烧室8。每一组测试完成后，测控软件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激光点火和燃烧燃烧性能参数，并打印测试报告单。

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8，并给燃烧室8和缓冲氮气瓶2充气加压。排气阀5通过管道与燃烧室进气口连接。排气阀5末端管道与真空泵23连接，用于真空环境下测试。半导体温度控制装置9贴在燃烧室8外壁。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，并将压强信号经放大器18放大后送给数据采集卡20。温度传感器12安装在燃烧室8内，它测得燃烧室的温度，并将温度信号经放大器18放大后送给数据采集卡20。光电探测器14置于燃烧室8视窗外端，所测信号经信号放大器18放大后送至数据采集卡20。数据采集卡20内置与计算机主板的PCI插槽，数据采集卡20对压强信号、温度信号和光强度信号采样并将采样数据传送给计算机，由测控软件进行数据处理。控制柜17内装有阀门控制驱动电路15，计算机主板的PCI插槽上还装有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。控制柜面板上还有各手动截止阀、应急按钮、激光器控制按钮和指示灯等。燃烧室顶盖11中心位置镶嵌锗透镜，试样支架13位于燃烧室8下端，用于固定固体推进剂试样88，燃烧室8、燃烧室顶盖11和试样药架13可构成一个密闭的压力容器系统。CO₂激光器6置于光学平台上，在其出光方向配有光路能量优化系统7，光路能量优化系统7的出光方向配有全反射直角棱镜24，将激光束垂直导向燃烧室顶盖11的锗玻璃处。

实施例1：

某双基推进剂，测试压强5MPa，初始温度+50℃，激光能量16.19W，激光能量密度82.46W/cm²条件下重复5次测试，原始测试数据如下。

	试样1	样品2	样品3	样品4	样品5
						点火延迟时间(ms)	146	144	138	142	138
试样长度(mm)	49.80	49.71	49.75	49.61	49.76
						燃烧时间(s)	4.3055	4.2754	4.2747	4.2799	4.2677
燃速(mm/s)	11.567	11.627	11.638	11.592	11.660

平均点火延迟时间：141.6ms；平均点火能量：2292.5mJ。平均燃速：11.617mm/s。

实施例2：

某复合高燃速推进剂，测试压强7MPa，常温，激光能量24.80W，激光能量密度126.00W/cm²条件下重复5次测试，原始测试数据如下。

	试样1	样品2	样品3	样品4	样品5
						点火延迟时间(ms)	86	85	89	85	78
试样长度(mm)	49.92	50.16	50.10	50.12	50.18
						燃烧时间(s)	1.7991	1.7526	1.7712	1.7858	1.7597
燃速(mm/s)	27.747	28.620	28.286	28.066	28.517

平均点火延迟时间：84.6ms；平均点火能量：2094.7mJ。平均燃速：28.247mm/s。

实施例3：

某低温膏体推进剂，盛药容器为一端封闭的Ф5mm透明直塑料管，测试压强0.01MPa超低压，初始温度－40℃，激光能量33.60W，激光能量密度170.92W/cm²条件下重复5次测试，原始测试数据如下。

	试样1	样品2	样品3	样品4	样品5
						点火延迟时间(ms)	70	64	66	63	69
试样长度(mm)	29.66	29.40	29.06	29.44	29.72

燃烧时间(s)	5.3674	5.1516	5.4247	4.9255	5.0995
						燃速(mm/s)	5.526	5.707	5.357	5.977	5.828

平均点火延迟时间：66.4ms；平均点火能量：2228.4mJ。平均燃速：5.679mm/s。

Claims (2)

1.一种固体推进剂点火、燃速一体化测试装置，其特征在于包括燃烧室及配气单元、激光发射与光信号接收单元、测控单元；

所述的燃烧室及配气单元包括燃烧室[8]、半导体温度控制装置[9]、高压氮气瓶[1]、缓冲氮气瓶[2]、真空泵[23]、氮气增压泵[24]、试样支架[13]；

所述燃烧室[8]有进气排气孔、应急排气孔和压力温度传感器安装孔，燃烧室[8]外壁贴有半导体温度控制装置[9]，燃烧室[8]顶部有一可打开的顶盖，顶盖中央镶嵌透镜，燃烧室[8]侧壁开有圆形视窗，内装耐压石英玻璃。燃烧室[8]底端有试样支架[13]，燃烧室顶盖[11]、试样支架[13]和燃烧室[8]一起组成一个密闭的压力容器系统，燃烧室的排气孔外还可连接真空压缩泵；

所述的激光发射与光信号接收单元包括CO₂激光器[6]、激光光路能量优化系统[7]、全反射棱镜[24]、光电探测器[14]和激光功率计；

所述的测控单元包括信号放大器[18]、同步数据采集卡[20]、温度传感器[12]、压力传感器[10]、点火信号同步装置[16]、I/O控制卡[19]、计算机及测控软件[21]；所述测控软件包括如下模块：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。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂点火、燃速一体化测试装置，其特征在于：所述同步数据采集卡[20]为具有多路高速数据采集功能和多路开关量输入输出功能的数据采集卡。