CN105863883B - 具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，其特征在于，包括燃烧室，所述燃烧室的一端密封且内部用于设置推进剂，所述燃烧室的另一端依次贯通设置收敛段、试验段和喷管，所述喷管与外界连通，所述试验段上沿气流方向等距设置有若干个氧化铝收集装置，每个所述氧化铝收集装置均包括在所述试验段外壁开设的收集窗口，每个所述收集窗口均向外连通设置有密封的收集罐，所述收集窗口处设置有用于控制其与所述试验段连通或断开的阀门，解决了现有技术不能对发动机工作工程中流道段内不同位置处的颗粒进行收集的问题。

Description

具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置
技术领域
本发明属于固体火箭发动机技术领域，涉及一种具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置。
背景技术
从开展绝热层烧蚀实验来看，凝相颗粒状态参数(颗粒浓度、粒径、分布)是影响绝热材料烧蚀的重要因素。粒径大小可以直接影响绝热材料的烧蚀，比如大粒径颗粒对于炭化层的剥蚀能力强，而小粒径颗粒的剥蚀相对较弱。另外粒径大小不同的颗粒随流性存在较大差别，致使颗粒大小与绝热材料试件表面的颗粒浓度存在一定关联，从而间接地影响到了绝热材料的烧蚀。实际情况中，发动机流场内由于凝相颗粒的相互碰撞、聚合、破碎，颗粒的直径并不是一个均一的分布，因此要研究发动机中颗粒的流动和对发动机热防护的影响，必须针对一定的颗粒直径分布来进行才有意义。
目前国内外众多学者对发动机内凝相颗粒尺寸分布开展了较多的研究工作。主要的研究方法有机械类方法和电类方法。
一种是用阿里安5号固体火箭助推器的缩比发动机测量颗粒分布。采用氦喷射，用以急速终止燃烧产物的化学反应，获取燃烧室内的瞬态分布情况的样品。其粒度分析采用两种方法：一是根据人们熟知的光散射原理，不同尺寸颗粒发出的散射光不同，经光学处理，求出颗粒尺寸数密度分布；而是采用胶带捕捉器代替以往的钢制或玻璃捕捉器，在胶带表面粘取颗粒，然后进行电镜粒度分析。
一种是对静止点火的固体火箭发动机羽流中的颗粒进行了采集和尺寸分析，设计和制造了一种飞镖系统，可按不同顺势和不同部位首次从大尺寸固体火箭发动机排气羽流中采集氧化铝颗粒样品。
国内西安近代化学研究所的王宁飞等，发明了一种实时脉冲取样器用于测定燃烧室内凝相颗粒尺寸的分布。航天四院张明信和中科院王国志等，运用激光全息装置测量了含铝推进剂燃烧场凝聚相的尺寸分布。中国科技大学李疏芬借鉴国外的收集法，设计了多种收集装置，采用了多种粒度分析方法，西北工业大学刘洋等人针对高过载条件下颗粒聚集过程中存在的碰撞、聚合等现象，研制了一套颗粒收集装置。
综上所述，国内外都对燃烧室内凝相颗粒分布规律开展了很多研究工作。但由于在实验装置、粒度分析方法上存在的差异，导致结论的不一致。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，以解决现有技术不能对发动机工作工程中流道段内不同位置处的颗粒进行收集的问题。
本发明所采用的第一种技术方案是，具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，其特征在于，包括燃烧室，所述燃烧室的一端密封且内部用于设置推进剂，所述燃烧室的另一端依次贯通设置收敛段、试验段和喷管，所述喷管与外界连通，所述试验段上沿气流方向等距设置有若干个氧化铝收集装置，每个所述氧化铝收集装置均包括在所述试验段外壁开设的收集窗口，每个所述收集窗口均向外连通设置有密封的收集罐，所述收集窗口处设置有用于控制其与所述试验段连通或断开的阀门。
进一步的，阀门为电爆阀或电磁阀。
进一步的，燃烧室内部靠近密封端位置处安装推进剂。
进一步的，燃烧室内悬挂设置有点火药包，所述点火药包的圆心与所述推进剂的药面中心位于同一条直线上。
进一步的，收集罐底部设置有冷却剂。
本发明所采用的第二种技术方案是，上述具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置的使用方法，将推进剂与点火药包装于燃烧室内，并通过点火药包将推进剂引燃；
通过时序控制电爆阀的通断，以控制颗粒流经试验段时的收集与否，被收集的高温凝相颗粒被位于收集罐内的冷却剂迅速固化捕捉，而其余未被捕获的两相流体经过喷管喷出；
发动机工作过程结束后，使用激光粒径分析仪，对收集罐8内的氧化铝颗粒残留物进行颗粒度测量。
进一步的，点火药包悬挂于推进剂的药面中心。
进一步的，每个收集罐与电爆阀沿气流流动方向均置于试验段的底部。
本发明的有益效果是，通过在发动机的试验段沿气流方向不同位置处均布开设收集窗口，利用电爆阀来控制收集罐通断以达到凝相颗粒收集的目的，后期通过马尔文粒度仪与电子显微镜等手段可得到收集到的凝相颗粒粒径分布，方便了绝热层烧蚀机理的研究，以提供一种具有氧化铝颗粒收集功能的固体火箭发动机，用于研究发动机流道中不同位置处凝相颗粒尺寸的分布。
附图说明
图1是本发明具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置的结构示意图。
图中，1.推进剂，2.燃烧室，3.点火药包，4.收敛段，5.试验段，6.阀门，7.冷却剂，8.收集罐，9.喷管。
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。
本发明提供了一种具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，包括燃烧室2，燃烧室2的一端密封且内部用于设置推进剂1，燃烧室2的另一端贯通设置收敛段4、试验段5和喷管9，喷管9与外界连通，其中，在燃烧室2内部靠近密封端位置处安装推进剂1，在燃烧室2内悬挂设置有点火药包3，且点火药包3的圆心与推进剂1的药面中心位于同一条直线上。
试验段5上沿气流方向等距设置有若干个氧化铝收集装置，通常设置三个氧化铝收集装置，每个氧化铝收集装置均包括在试验段5外壁开设的收集窗口，每个收集窗口均向外连通设置有密封的收集罐8，收集罐8底部设置有冷却剂7。该冷却剂7为惰性液体，且不会与高温氧化铝液滴进行反应的液体。
收集窗口处设置有用于控制其与试验段5连通或断开的阀门6，阀门6为电爆阀或电磁阀。控制阀门6的通断原则为依照发动机工作时间设计时序控制，即在发动机工作过程中某一时间点控制电磁阀通断。因为电爆阀是通过时序控制的，如果不设置电爆阀则收集到的是发动机控制全过程的颗粒，且电爆阀的设置能在发动机控制过程中让收集罐产生瞬时的低压，对流场内的氧化铝颗粒具有抽吸作用。
本发明还提供了一种具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置的使用方法，具体为：
1、将推进剂1与点火药包3装于燃烧室2内，并通过点火药包3将推进剂1引燃；点火药包3悬挂于推进剂1的药面中心。每个收集罐8与电爆阀沿气流流动方向均置于试验段5的底部。
2、通过时序控制电爆阀的通断，以控制颗粒流经试验段时的收集与否，被收集的高温凝相颗粒被位于收集罐8内的冷却剂7迅速固化捕捉，而其余未被捕获的两相流体经过喷管9喷出；
3、发动机工作过程结束后，使用Hydro 2000MU型马尔文激光粒径分析仪，对收集罐8内的氧化铝颗粒残留物进行颗粒度测量。
采用本发明装置能对固体火箭发动机燃烧室流道内不同位置处的氧化铝液滴进行收集，并开展粒径分析工作，同时电爆阀的使用能对发动机工作过程中收集罐的开启与关闭进行人为控制，即能对发动机工作过程中任一时段的氧化铝颗粒进行收集。与现有仅能收集到发动机工作终止时刻氧化铝液滴的装置相比，本装置具有更为细致的研究用途。
本发明的基本原理是在粒子收集试验装置试验段底面不同位置处开设收集窗口，通过利用电爆阀来控制收集窗口的闭合，用以收集发动机工作过程中流场内不同位置处的氧化铝颗粒。
本发明具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置的工作过程为，将燃烧室2壳体固定于试车台架；推进剂1与点火药包3装于燃烧室2前端，注意点火药包3应悬挂于推进剂1药面中心；点火药包3经24V点火电源激励后将推进剂1引燃；点火后推进剂1产生的气液两相流分别流经收敛段4与试验段5。各个收集罐8与电爆阀沿气流流动方向均置于试验段5的底面，并通过时序控制电爆阀的通断以达到颗粒流经试验段时收集与否的目的，被收集的高温凝相颗粒被位于收集罐8内的冷却剂7迅速固化捕捉，而其余未被捕获的两相流体经过喷管9喷出，整个发动机工作过程结束。
试验中，燃烧室2壳体、收敛段4、试验段5等之间均采用端面密封并使用螺栓连接。在此项试验中，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。
实施例：
实验中将发动机总体如图1组装好，其中发动机燃烧室2壳体、收敛段4、试验段5等钢性壳体材质均为45#钢。发动机中各连接部分均采取端面密封，螺栓与螺母由GB/T5781-2000六角头螺栓-全螺栓C级M12 1＝100和GB/T41-2000六角头螺母-C级M12构成。
推进剂1、喷管9喉径由实验工况核定；燃烧室2壳体长150mm，外径220mm，内径200mm，端面法兰等距开孔20个，孔径为13mm；收敛段4前端与后端分别开孔20个与12个孔径均为13mm；试验段5前后开孔12个，孔径同样为13mm，收集罐8与电爆阀连接于试验段5底部，且收集罐8中盛载有大量冷却剂7作为凝固高温氧化铝液滴介质。发动机全段各连接处采用螺纹连接，且壳体壁厚为10mm；发动机安装完毕后，连接点火线与测压传感器；一切检查无误后进行点火试车凝相颗粒收集实验。
采用马尔文粒度仪对收集到的凝相颗粒进行粒度分析，从而获得高温稠密两相流中氧化铝颗粒粒径的分布特性。通过本发明所设计的收集装置，最终可获得固体火箭发动机工作过程试验段中，沿气流方向不同位置处的氧化铝颗粒的粒度分布。

Claims (7)

1.具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，其特征在于，包括燃烧室(2)，所述燃烧室(2)的一端密封且内部用于设置推进剂(1)，所述燃烧室(2)的另一端依次贯通设置收敛段(4)、试验段(5)和喷管(9)，所述喷管(9)与外界连通，所述试验段(5)上沿气流方向等距设置有若干个氧化铝收集装置，每个所述氧化铝收集装置均包括在所述试验段(5)外壁开设的收集窗口，每个所述收集窗口均向外连通设置有密封的收集罐(8)，所述收集窗口处设置有用于控制其与所述试验段(5)连通或断开的阀门(6)，所述阀门(6)为电爆阀，控制阀门6的通断原则为依照发动机工作时间设计时序控制，即在发动机工作过程中某一时间点控制电磁阀通断。
2.如权利要求1所述的具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，其特征在于，所述燃烧室(2)内部靠近密封端位置处安装推进剂(1)。
3.如权利要求2所述的具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，其特征在于，所述燃烧室(2)内悬挂设置有点火药包(3)，所述点火药包(3)的圆心与所述推进剂(1)的药面中心位于同一条直线上。
4.如权利要求1所述的具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置，其特征在于，所述收集罐(8)底部设置有冷却剂(7)。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置的使用方法，其特征在于，将推进剂(1)与点火药包(3)装于燃烧室(2)内，并通过点火药包(3)将推进剂(1)引燃；
通过时序控制电爆阀的通断，以控制颗粒流经试验段时的收集与否，被收集的高温凝相颗粒被位于收集罐(8)内的冷却剂(7)迅速固化捕捉，而其余未被捕获的两相流体经过喷管(9)喷出；
发动机工作过程结束后，使用激光粒径分析仪，对收集罐8内的氧化铝颗粒残留物进行颗粒度测量。
6.如权利要求5所述的具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置的使用方法，其特征在于，点火药包(3)悬挂于推进剂(1)的药面中心。
7.如权利要求5所述的具有氧化铝液滴收集功能的固体火箭发动机缩比实验装置的使用方法，其特征在于，每个收集罐(8)与电爆阀沿气流流动方向均置于试验段(5)的底部。
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