CN104950070A - 固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法，包括以下步骤：以高压氮气瓶为气源，通过增压泵为燃烧室内测试样品提供初始压力，点燃样品后燃气使燃烧室内压力上升至门限值，高压电磁阀打开，通过排气量调节器排气。数据采集控制系统记录实验过程中燃烧室内的压力和光强变化，根据计算出的压力下降速率以及样品是否熄灭的情况，调整排气量大小，再次实验。本发明解决了现有技术初始压力波动大的问题，利用本发明的方法可以测试不同配方推进剂在一定压力下熄火的最小降压速率，也可以测得一定条件下固体推进剂的熄火临界压强，拓展了现有技术的测试范围，可用于能量管理型战术导弹及火箭弹用固体推进剂降压熄火性能的测试。

Description

固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法

技术领域

本发明涉及一种可燃物燃烧后熄火的临界降压速率测试方法，尤其是应用于推进剂和发射药熄火临界降压速率的测试。

背景技术

为提高导弹的机动性、突防能力和命中精度，需要作为动力装置的火箭发动机具有推力可控和多次启动的能力。要实现火箭发动机推力可控和多次启动需要研究熄火发动机技术，熄火发动机技术的关键是固体推进剂熄火条件的研究，而临界降压速率，即一定压力下熄火的最小降压速率是熄火条件研究的关键性能参数，也是火箭发动机的关键设计依据。

《火炸药学报》2012年2月第35卷第1期一篇题为“压力下降条件下一种双基发射药的瞬态燃烧特性”的论文，公开了一种发射药降压熄火曲线的试验方法。其试验装置主要由以下部分组成：燃烧室、点火组件、泄压组件、同步控制器、数据采集处理系统、压力传感器、观察窗、高速摄影仪。点火组件内有两个电极，用镍铬点火丝连接。泄压组件安装有不同孔径的泄压喷口和不同材料及厚度的泄压破片，泄压喷口内径为1～8mm，泄压破片的材料及厚度分别为紫铜和铝片材料(厚度各为0.1、0.2、0.3mm)和铁片(厚度为0.25mm和0.8mm)，通过选择泄压破片的材料和厚度以及不同的泄压喷口孔径来调节泄压初始压力和降压速率。

实验时将被测样品药柱的一个端面固定在观察窗的玻璃上，然后称取一定量的同类型小颗粒状药放置在燃烧室内，再称取0.5g的2号黑火药放入点火组件内。首先启动同步控制器，使点火器、数据采集处理系统、高速摄影仪在同一时刻被启动并记录，此时用点火器点燃黑火药，黑火药引燃助燃药和被测样品药柱，助燃药和样品在燃烧室内迅速燃烧产生压力，当燃烧室压力达到破片承压极限时泄压破片破裂，高温高压燃气从喷口处喷出，使燃烧室内压力迅速下降，并通过压力传感器经电荷放大器和数据采集系统测得燃烧室内压力和时间的变化过程，并绘制成P-t曲线，根据P-t曲线可以判断出压力下降前的起点位置，计算出值，并绘制出曲线，同时，通过观察端的透明窗，经光学转换，由高速摄影仪记录燃烧室内药柱的燃烧过程，最后，将获得的压力曲线和图像过程进行对比，分析双基发射药的熄火状态及相应的熄火参数。

但是现有技术存在一些问题：

1、现有技术选择一定厚度的紫铜片、铝片和铁片为泄压破片，加工过程中不能保证其厚度的均匀性和一致性；同时，人工安装到位的泄压破片所受的挤压力和剪切力也无法保证一致性。也就是说，泄压破片强度的不确定性会造成燃烧室内初始压力很难调控在许可范围内，每次实验的初始压力波动比较大。

2、现有技术不能保证燃烧室的建压过程中测试样品不被点燃，也不能保证燃烧室建压完成后测试样品能被点燃，也就是说，测试样品开始燃烧时的压力不确定。

3、现有测试方法只能得到不同初始压力区间内的熄火曲线方程，却不能测得熄火条件参数——临界降压速率。

4、现有技术利用高速摄影仪拍摄的测试样品直径随燃烧时间变化的图像特征，来辨识压力下降过程中样品是否熄火，大材小用，造成一定的资源浪费。另外，为配合高速摄影仪的使用，燃烧室侧壁必须开设观察窗，使燃烧室的设计加工更为复杂，同时密封技术难度加大。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法，能够保证样品在稳定的初始压力下被可靠点燃，并且能够实时检测压力下降过程中样品是否熄灭。

本发明采用的技术方案是：将测试样品置于燃烧室中，以高压气瓶为气源，通过增压泵使燃烧室内压力升高至设定值，然后启动直流点火电源加热样品上端的电热丝，点燃燃烧室中的待测样品，待测样品燃烧产生的燃气使燃烧室内压力升高，压力传感器检测到燃烧室内压力上升至门限值，发送给数据采集控制系统，令高压电磁阀打开，通过排气量调节器排气。安装在燃烧室侧壁的压力传感器和光电传感器通过数据采集控制系统记录实验过程中燃烧室内的压力和光强的变化。通过数据采集控制系统存储的软件计算出压力下降速率，辨识实验过程中样品是否熄灭、何时熄灭的过程。根据计算出的压力下降速率以及样品是否熄灭的情况，通过排气量调节器调整排气量大小。例如，若样品未熄火，调整增大排气量，再次实验直至样品熄火；若样品熄火，则调整减小排气量，再次实验直至样品不发生熄火。经过几次实验就可测得一定初始压力下熄火的最小降压速率，即临界降压速率。

为了保证本发明的测量精确度，压力传感器需要每年标定一次；光电传感器在进行五次实验后需要清洁一次感光头。

本发明所采用的设备主要包括：燃烧室、数据采集控制系统、压力传感器、点火电热丝(材料为镍铬)、点火电源、光电传感器、进气口、气体增压泵、高压气瓶、过滤网、高压开关电磁阀、排气量调节器(环片为不锈钢制，内径0.5mm～10mm)。燃烧室一侧装有压力传感器，另一侧装有光电传感器，分别与数据采集控制系统连接；燃烧室内园柱状测试样品的上端有点火电热丝，电热丝与燃烧室外部的点火电源连接，点火电源与数据采集控制系统相连接；在燃烧室的顶部还连接有高压开关电磁阀和排气量调节器，其中燃烧室与高压开关电磁阀之间有过滤网，高压开关电磁阀与数据采集控制系统连接；燃烧室还开有进气口，在进气口上通过管路依次连接有增压泵和高压气瓶，其中，增压泵还和数据采集控制系统连接。

包括以下步骤：

(1)将测试样品制成直径为7mm，高15mm的圆柱形；

(2)在测试样品上端连接好点火电热丝，装样品于燃烧室内，密封；

(3)用酒精棉球清洁光电传感器的感光头，然后安装在燃烧室的侧壁，确保密封；

(4)选取排气量调节器的环片并安装好；

(5)打开数据采集控制系统操作界面，设置好初始压力P₀、压力上升门限值和数据采集速度；压力上升门限值为(P₀+0.5)MPa，所述的数据采集速度为50kH_Z。

(6)打开高压气瓶，数据采集控制系统启动增压泵为燃烧室内充气，压力传感器检测到燃烧室压力达到设定值P₀，增压泵自动停止；

(7)数据采集控制系统启动点火电源，同时开始数据采集，点火电热丝发热后点燃测试样品，测试样品燃烧产生的气体使燃烧室内压力上升至门限值，数据采集控制系统令高压电磁阀自动打开，通过排气流量器排气，数据采集控制系统记录下整个过程的压力－时间曲线和光强－时间曲线。数据采集结束后高压电磁阀自动关闭；

(8)对照压力－时间曲线和光强－时间曲线，辨识测试样品是否熄灭、熄灭时的压力等信息；

(9)利用压力－时间曲线计算本次实验的降压速率：

(10)取出残余样品并将燃烧室[1]清理干净；

(11)根据本次实验结果，若此降压速率下样品未熄火，则增大排气量调节器的环片内径；若此降压速率下样品熄火，则减小排气量调节器的环片内径，其它条件不变，重复步骤(1)～(9)再次实验。经过几次实验可测得初始压力为P₀时，样品熄火的临界降压速率。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明利用增压泵可为燃烧室内测试样品提供任意需要的初始压力，每次实验的初始压力波动范围为0.5％，解决了现有技术初始压力波动大的问题，并且能够保证待测样品在任意需要的初始压力下被可靠点燃。同时，由于初始压力稳定、测试样品能够在稳定的初始压力下被可靠点燃，使压力下降速率得以更为精确地调控，因此，可以测试不同配方推进剂在一定压力下熄火的最小降压速率，也可以测得一定条件下固体推进剂的熄火临界压强，拓展了现有技术的测试范围。在国防上可用于能量管理型战术导弹及火箭弹用固体推进剂降压熄火性能的测试。另外，本发明利用光电传感器记录实验过程中燃烧室内光强随时间的变化曲线，辨识测试样品在压力下降过程中是否熄灭、何时熄灭的情况。光电传感器与压力传感器可以共用一套数据采集控制系统，不再需要数据同步控制器，也无需在燃烧室壁开设观察窗。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为现有技术测试装置的结构图；

图2为本发明所用测试装置的主要部分；

图3为本发明一次实验过程的压力－时间曲线和光强－时间曲线。

图中，1-燃烧室，2-点火组件，3-测试样品，4-泄压组件，5-同步控制器，6-数据采集控制系统，7-压力传感器，8-观察窗，9-高速摄影仪，10-点火电热丝，11-点火电源，12-光电传感器，13-进气口，14-增压泵，15-高压气瓶，16-过滤网，17-高压电磁阀，18-排气量调节器。

具体实施方式

参照图1、2，本发明采用的主体装置是燃烧室1，由不锈钢制成，容积约80ml±10ml，经耐45MPa水压试验应合格。在燃烧室1侧壁上开有测试压力和测试光强的孔，分别安装压力传感器7和光电传感器12。压力传感器7采用型号为CYG41000，量程为0～30MPa的压力变送器；光电传感器12采用红外波段的光电倍增管，0～10V直流输出。燃烧室1下部开有进气口13，进气口13用不锈钢管道与增压泵14和高压气瓶15连接，增压泵14选用HN100高压氮气增压机，高压气瓶15选用高压氮气瓶，气瓶压力：13.5±0.5MPa，纯度：N₂≥99.5％。燃烧室1顶部为气体出口，出口处安装有过滤网16，延气流方向连接高压电磁阀17和排气量调节器18。过滤网16为不锈钢制，网孔直径不大于200μm；高压电磁阀17采用德国Pumason公司GYB091459X型开关式电磁阀，排气量调节器18为一组不锈钢制的环片，环孔直径可以在0.5～10mm之间选择。测试样品3置于燃烧室1内，样品上端点火电热丝10与燃烧室1外部的点火电源11连接。点火电热丝10采用镍铬材料，直径0.5mm。数据采集控制系统6连接了增压泵14、点火电源11、压力传感器7、光电传感器12和高压电磁阀17，用于控制增压泵14的开启、点火电源11的激励和高压电磁阀17的开启与关闭，同时采集压力传感器7和光电传感器12的压力和光强数据并进行数据处理。

实验步骤：

1、将测试样品3制成直径为7mm，高15mm的圆柱形。

2、在测试样品3上端连接好点火电热丝10，装样品于燃烧室1内，密封。

3、用酒精棉球清洁光电传感器12的感光头，然后安装在燃烧室1的侧壁，确保密封。

4、选取排气量调节器18的环片并安装好。

5、打开数据采集控制系统6操作界面，设置好初始压力P₀、压力上升门限值(通常为P₀+0.5MPa)和数据采集速度(通常为50kH_Z)。

6、打开高压气瓶15，数据采集控制系统6启动增压泵14为燃烧室1内充气，压力传感器7检测到燃烧室1压力达到设定值P₀，增压泵14自动停止。

7、数据采集控制系统6启动点火电源11，同时开始数据采集，点火电热丝10发热后点燃测试样品3，测试样品3燃烧产生的气体使燃烧室1内压力上升至门限值，数据采集控制系统6令高压电磁阀17自动打开，通过排气流量器18排气，数据采集控制系统6记录下整个过程的压力－时间曲线和光强－时间曲线。数据采集结束后高压电磁阀17自动关闭。

8、对照压力－时间曲线和光强－时间曲线，辨识测试样品3是否熄灭、熄灭时的压力等信息。

9、计算本次实验的降压速率：

10、取出残余样品并将燃烧室1内壁清理干净。

11、根据本次实验结果，若此降压速率下样品未熄火，则增大排气量调节器18的环片内径；若此降压速率下样品熄火，则减小排气量调节器18的环片内径，其它条件不变，重复步骤1～9再次实验。经过几次实验可测得初始压力为P₀时，样品熄火的临界降压速率。

例如将某改性双基推进剂制成直径7mm，高15mm的圆柱形样品，固定在样品支架上，样品上端接好点火电热丝10，置于燃烧室1内。选取排气量调节器18环片孔径为5mm并安装好。设置初始压力P₀为24MPa、压力上升门限值为24.5MPa、采样率为50kHz。启动增压泵14给燃烧室1内充压至24MPa，增压泵14停止。启动点火电源11接通点火电热丝10点燃双基推进剂样品，燃气使燃烧室1内压力上升至24.5MPa，数据采集控制系统6令高压电磁阀17打开，通过排气流量器18排气。数据采集控制系统6进行压力和光强数据的采集，并在数据采集结束后控制高压电磁阀17自动关闭。图3为该实验过程的压力－时间曲线和光强－时间曲线。对压力－时间曲线计算得到本次实验的降压速率v＝1873MPa/s；对照压力－时间曲线和光强－时间曲线得到：双基推进剂样品在24.06MPa被点燃，压力下降过程中双基推进剂样品没有熄灭。根据本次实验结果，要使双基推进剂样品燃烧熄火，需要更快的降压速率，因此选取更大孔径的排气量调节器18，其它条件不变，进行几次实验后测得该双基推进剂样品在24MPa下熄火的最小降压速率为2640MPa/s，熄火临界压强为1.5MPa。

Claims (4)

1.一种固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法，其特征在于所采用的设备包括燃烧室[1]、数据采集控制系统[6]、压力传感器[7]、点火电热丝[10]、点火电源[11]、光电传感器[12]、进气口[13]、气体增压泵[14]、高压气瓶[15]、过滤网[16]、高压电磁阀[17]、排气量调节器[18]；燃烧室[1]一侧装有压力传感器[7]，另一侧装有光电传感器[12]，分别与数据采集控制系统[6]连接；燃烧室[1]内园柱状测试样品[3]的上端有点火电热丝[10]，点火电热丝[10]与燃烧室外部的点火电源[11]连接，点火电源[11]与数据采集控制系统[6]相连接；在燃烧室[1]的顶部还连接有高压电磁阀[17]和排气量调节器[18]，其中燃烧室[1]与高压开关电磁阀[17]之间有过滤网[16]，高压开关电磁阀[17]与数据采集控制系统[6]连接；燃烧室[1]还开有进气口[13]，在进气口[13]上通过管路依次连接有增压泵[14]和高压气瓶[15]，其中增压泵[14]还和数据采集控制系统[6]连接；

包括以下步骤：

(1)将测试样品[3]制成直径为7mm，高15mm的圆柱形；

(2)在测试样品[3]上端连接好点火电热丝[10]，装样品于燃烧室[1]内，密封；

(3)用酒精棉球清洁光电传感器[12]的感光头，然后安装在燃烧室[1]的侧壁，确保密封；

(4)选取排气量调节器[18]的环片并安装好；

(5)打开数据采集控制系统[6]操作界面，设置好初始压力P₀、压力上升门限值和数据采集速度；

(6)打开高压气瓶[15]，数据采集控制系统[6]启动增压泵[14]为燃烧室[1]内充气，压力传感器[7]检测到燃烧室[1]压力达到设定值P₀，增压泵[14]自动停止；

(7)数据采集控制系统[6]启动点火电源[11]，同时开始数据采集，点火电热丝[10]发热后点燃测试样品[3]，测试样品[3]燃烧产生的气体使燃烧室[1]内压力上升至门限值，数据采集控制系统[6]令高压电磁阀[17]自动打开，通过排气流量器[18]排气，数据采集控制系统[6]记录下整个过程的压力－时间曲线和光强－时间曲线。数据采集结束后高压电磁阀[17]自动关闭；

(8)对照压力－时间曲线和光强－时间曲线，辨识测试样品[3]是否熄灭、熄灭时的压力等信息；

(9)利用压力－时间曲线计算本次实验的降压速率：

(10)取出残余样品并将燃烧室[1]清理干净；

(11)根据本次实验结果，若此降压速率下样品未熄火，则增大排气量调节器[18]的环片内径；若此降压速率下样品熄火，则减小排气量调节器[18]的环片内径，其它条件不变，重复步骤(1)～(9)再次实验。经过几次实验可测得初始压力为P₀时，样品熄火的临界降压速率。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法，其特征在于所述步骤(5)中的压力上升门限值为(P₀+0.5)MPa，所述的数据采集速度为50kH_Z。

3.根据权利要求1所述的固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法，其特征在于所述的点火电热丝[10]材料为镍铬。

4.根据权利要求1所述的固体推进剂熄火的临界降压速率测试方法，其特征在于所述的排气量调节器[18]的环片为不锈钢制，内径0.5mm～10mm。