CN105527370A - 潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于火箭发动机技术领域，公开了一种潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置。该装置包括燃烧室，所述燃烧室的一端密封设置，其另一端上下依次分别水平连通有过渡管和沉积室，在所述过渡管上依次同轴连通有流道管和喷管；所述燃烧室内部设有推进剂和用于点燃推进剂的点火药包；所述沉积室的一端与燃烧室连通形成贯通的腔体，所述沉积室的另一端密封设置，所述沉积室的下底内壁和/或密封端的内壁分别设置有绝热层试件。该装置能够直接模拟大型固体火箭发动机潜入喷管背壁空腔内粒子流动状态，实现对凝相粒子沉积条件下绝热层烧蚀机理的研究。

Description

潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置

技术领域

本发明属于火箭发动机技术领域，特别涉及一种潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置。

背景技术

现代固体火箭发动机设计中为了提高比冲与缩短发动机整体长度，通常在推进剂中加入金属粉末(如Al，Mg)，广泛使用潜入喷管，使用含铝推进剂和潜入喷管的固体火箭发动机，当推进剂燃烧时，推进剂表面上产生铝粉溶化后形成的凝聚液滴，这些铝液滴或者沿着药柱表面和壳体壁面上流动，或者被喷射到高速旋转的燃气流中。然而在发动机工作过程中，随着燃面的推移在潜入喷管背壁区域逐渐形成一个空腔，该空腔内存在复杂的回流区，由于颗粒相具有较大的惯性，不容易追随流线，因此在气流偏转较大的喷管背壁区域容易同气流分离而进入回流区，继而沉积在空腔内成为熔渣；大型分段式固体火箭发动机水平试车结束时，在下表面上有大量沉积的存在。

目前，国内外对绝热层烧蚀实验研究技术主要集中在以下三个方面：(1)氧化性气体和绝热层的化学烧蚀；(2)气流对绝热层的冲蚀；(3)颗粒相对绝热层的机械侵蚀。然而氧化铝颗粒沉积条件下绝热层烧蚀实验技术国内文献鲜有提及，特别是对于大型固体火箭发动机潜入喷管背壁空腔内粒子流动状态的模拟，凝相粒子沉积条件下绝热层烧蚀机理的研究更是鲜有提及。

发明内容

本发明的目的是提供一种潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，该装置能够直接模拟大型固体火箭发动机潜入喷管背壁空腔内粒子流动状态，实现对凝相粒子沉积条件下绝热层烧蚀机理的研究。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：包括燃烧室，所述燃烧室的一端密封设置，其另一端上下依次分别水平连通有过渡管和沉积室，在所述过渡管上依次同轴连通有流道管和喷管；所述燃烧室内部设有推进剂和用于点燃推进剂的点火药包；

所述沉积室的一端与燃烧室连通形成贯通的腔体，所述沉积室的另一端密封设置，所述沉积室的下底内壁和/或密封端的内壁分别设置有绝热层试件。

上述技术方案的特点和进一步改进：

进一步的，所述燃烧室的密闭端连接有用于固定燃烧室的前封头顶杆。

进一步的，所述点火药包位于推进剂的中心位置旁。

进一步的，所述喷管通过喷管压盖与流道管固定连接。

进一步的，所述沉积室的纵截面设置为方形。

进一步的，所述沉积室的密封端设置有用于密封沉积室的沉积室盖板。

进一步的，所述流道管的内径和过渡管的内径相同。

进一步的，所述流道管上设置有供点火药包的电源导线通过的通孔。

本发明的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，通过与过渡管并列设置沉积室，可实现凝相颗粒在流场中的沉积，后期通过测厚仪与电子显微镜等手段可得到绝热层质量烧蚀率与观察到炭化层等微观形貌，方便了对于凝相颗粒沉积条件下绝热层烧蚀状况的研究。

附图说明

图1为本发明的一种潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置的结构示意图；

图中：1、前封头顶杆；2、前封头；3、燃烧室；4、推进剂；5、点火药包；6、过渡管；7、沉积室；8、绝热层试件；9、沉积室盖板；10、流道管；11、喷管；12、喷管压盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，为本发明的一种潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置的结构示意图；该模拟装置包括燃烧室3，燃烧室3的一端密封设置，燃烧室3的密封端通过前封头2密封，其另一端上下依次分别水平连通有过渡管6和沉积室7，在过渡管6上依次同轴连通有流道管10和喷管11，燃烧室3、过渡管6、流道管10和喷管11连通形成贯通的腔体；燃烧室3内部设有推进剂4和用于点燃推进剂4的点火药包5，推进剂4设置在燃烧室3的密封端。

沉积室7的一端与燃烧室3连通形成贯通的腔体，沉积室7的另一端密封设置，沉积室7的下底内壁和/或密封端的内壁分别设置有绝热层试件8。

将沉积室7与过渡管6水平并列设置在推进剂4前端，能够直接模拟翼柱型装药固体火箭发动机潜入喷管背壁空腔段内颗粒的初始沉积状态，进一步研究该状态下绝热层的烧蚀。该装置达到了直接模拟真实状态的目的。

燃烧室3的密闭端连接有用于固定燃烧室3的前封头顶杆1。前封头顶杆1用来固定燃烧室3，前封头顶杆1与推力墩相顶，使得燃烧室3固定于试车台架上。

点火药包5位于推进剂4的中心位置旁，可以推进剂4均匀点燃，不会因偏移而影响沉积效果，通过点火药包5可以点燃推进剂4以产生燃气气流。

喷管11通过喷管压盖12与流道管10固定连接，使喷管11固定牢固可靠。

沉积室7的纵截面设置为方形，沉积室7上设置有观测窗口，方形方便观测窗口设置，沉积室7可以根据需要设置成其它形状。

沉积室7的密封端设置有用于密封沉积室的沉积室盖板9，拆卸沉积室盖板9后即可取出绝热层试件8，方便绝热层试件8的放置和取出。

流道管10的纵截面设置为圆形，过渡管6的纵截面设置为圆形，方便加工，流道管10的内径和过渡管6的内径相同，可以根据需要设置成其它形状。

流道管10上设置有供点火药包5的电源导线通过的通孔，点火药包5通过该通孔连接至设置在流道管10外壁上的点火电源。

工作过程中，将该装置固定于试车台架，前封头顶杆1与推力墩相顶；推进剂4与点火药包5装于燃气发生器3前端，亦即其密封端；注意点火药包5应悬挂于推进剂4药面中心；点火药包5经24V点火电源激励后将推进剂4引燃；点火后由推进剂4产生的气固两相流分别流经流道管10与沉积室7。沉积室7为一密闭的死区，气流会在沉积室7内形成一个回流区，由于颗粒相具有较大惯性，不容易追随流线，因此在气流偏转较大的沉积室7内容易进入回流区，且在重力的作用下，部分颗粒相与气相分离，根据不同的捕获准则，会有一定尺寸范围内的凝聚相沉积于绝热层试件8上，能够直接模拟翼柱型装药固体火箭发动机潜入喷管背壁空腔段内初始沉积状态，从而达到模拟火箭发动机真实条件下氧化铝颗粒沉积对绝热层试件烧蚀的目的。其余两相流体经过流道管10从喷管11喷出，整个模拟烧蚀发动机工作过程结束。

试验中，前封头2、燃烧室3、过渡管6、流道管10、喷管压盖12、沉积室盖板9之间均采用端面密封并使用螺栓连接。

在此项实验中，关键工作参数为推进剂药柱含铝量、应力载荷、形变量以及形变历程等。本发明的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，能够直接模拟翼柱型装药固体火箭发动机潜入喷管背壁空腔段内初始沉积状态，最终可模拟氧化铝颗粒沉积并研究沉积条件下绝热层烧蚀问题。

实施例：实验中将本发明的实验装置按照图1所示组装好，其中前封头顶杆1、前封头2、燃烧室3、过渡管6、流道管10、沉积室盖板9和喷管压盖12材质均为45#钢。推进剂4、绝热层试件8、喷管11喉径由实验工况核定。

前封头顶杆1为长度可调的两段式结构，并与前封头2采用M16*1.5螺纹连接；燃烧室3为空心圆柱体，其长150mm，外径220mm，内径200mm，端面法兰等距开孔20个，孔径为φ13；过渡管6的两端分别焊接有圆形与方形端面法兰两个，过渡管6的两个端面法兰上分别等距开孔20个，孔径为φ13；流道管10采用圆形管，其全长175mm，壁厚为8mm，流道管10前后端法兰相同，等距开孔10个孔径均为φ10；喷管压盖12设置为锥形，长为45mm，壁厚为10mm，法兰等距开孔12个，孔径为φ10；沉积室7采用方形管，其全长100mm，端面等距开M8螺纹盲孔16个，壁厚为10mm，法兰壁厚为20mm；沉积室7的密封端采用沉积室盖板9密封，沉积室盖板9与沉积室7配合等距打16个φ9通孔；该实验装置安装完毕后，连接点火线与测压传感器；一切检测无误后，倒计时点火开启试验装置。

实验结束后，待实验装置冷却至室温，并赋予颗粒相沉积对绝热材料20min烧蚀时间后，再小心拆卸实验装置并作相关清洗工作。

后期工作中，使用精度为0.01mm的测厚仪，测量绝热层试件8烧蚀后的厚度，通过与前期厚度的对比可计算出绝热层质量烧蚀率；使用电镜或x射线三维成像技术观察炭化层等微观形貌从而掌握烧蚀规律，获得烧蚀特性。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：包括燃烧室(3)，所述燃烧室(3)的一端密封设置，其另一端上下依次分别水平连通有过渡管(6)和沉积室(7)，在所述过渡管(6)上依次同轴连通有流道管(10)和喷管(11)；所述燃烧室(3)内部设有推进剂(4)和用于点燃推进剂(4)的点火药包(5)；

所述沉积室(7)的一端与燃烧室(3)连通形成贯通的腔体，所述沉积室(7)的另一端密封设置，所述沉积室(7)的下底内壁和/或密封端的内壁分别设置有绝热层试件(8)。

2.如权利要求1所述的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：所述燃烧室(3)的密闭端连接有用于固定燃烧室(3)的前封头顶杆(1)。

3.如权利要求2所述的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：所述点火药包(5)位于推进剂(4)的中心位置旁。

4.如权利要求3所述的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：所述喷管(11)通过喷管压盖(12)与流道管(10)固定连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：所述沉积室(7)的纵截面设置为方形。

6.如权利要求1-4任一项所述的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：所述沉积室(7)的密封端设置有用于密封沉积室的沉积室盖板(9)。

7.如权利要求1-4任一项所述的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：所述流道管(10)的内径和过渡管(6)的内径相同。

8.如权利要求1-4任一项所述的潜入喷管背壁空腔内颗粒沉积条件下绝热层烧蚀模拟装置，其特征在于：所述流道管(10)上设置有供点火药包(5)的电源导线通过的通孔。