CN107191292A - 一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法，属于固液混合发动机技术领域。当燃料在发动机中燃烧时，燃料燃烧后为不规则的锥面，在不同的截面处存在不同的燃面退移速率，通过迅速中止氧化剂的供给使燃料的燃烧中断，待发动机冷却后，取出未燃烧的燃料并对不同位置处燃料的肉厚进行测量，结合燃烧前燃料的肉厚可得到某一时间范围内不同位置处的燃面退移速率。通过改变氧化剂种类和氧化剂流强，由中断燃烧实验得到不同燃烧条件下推进剂的局部燃面退移速率；在不同的截面处局部燃面退移速率的准确获得为研究不同流场条件下燃料的燃烧规律，以及燃料形状尺寸的设计和发动机燃烧室的设计提供实验数据支持。

Description

一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法
技术领域
本发明属于固液混合发动机技术领域，具体地说，涉及一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法。
背景技术
火箭发动机是航天器和导弹的动力装置，随着航天技术的发展和进步，可靠性高、成本低廉、绿色环保成为火箭发动机发展的重要方向。固液混合发动机以固体燃料和液体氧化剂作为推进剂，潜在的应用主要包括:探空火箭、运载火箭助推器、太空飞船、亚轨道飞行器、靶机等的动力装置。
美国专利5107129中介绍了一种光纤固体/混合火箭发动机药柱退移速率测试传感器。光纤固体/混合火箭发动机药柱退移速率测试传感器能够准确的测试燃料的退移速率，作为感应和传导设备需要采用特殊光纤、二极管和光检测元件，成本较高，同时加大系统操作的复杂性和难度，且难以避免环境、温度等因素对光的影响。
燃料在固液混合发动机中燃烧时，不同燃料位置处的燃面退移速率并不相同，即表现出不同的局部燃面退移速率。若不同燃料位置处的局部燃面退移速率相差过大，则在燃烧后期为了保证发动机的内弹道稳定性，需要进行提前关机，不但造成燃料的浪费也对发动机的操作安全性造成一定威胁。燃料药柱的内通道构型并非圆筒形而是圆锥形，燃面退移速率与单位截面积氧化剂质量流率成正相关，对于固液混合发动机来说氧化剂从燃烧室的头部注入，随着燃料在氧化剂上游处的燃烧，氧化剂下游处的气体质量流率增大，因此氧化剂下游处燃料的局部燃面退移速率往往较高。测量局部燃面退移速率可为研究燃烧规律提供实验数据支持，并且能够为发动机的设计提供参考。
Karabeyoglu M A研究表明：在推进剂配方和燃烧室结构尺寸确定的前提下，退移速率主要与氧化剂流强或燃气流强、药型结构等有关。对于药型结构基本相同的混合发动机，其退移速率主要与氧化剂流强或燃气流强的n次方成正比。
燃料的燃面退移速率为
式中，a为退移速率系数；G0为单位截面积氧化剂质量流率；n为指数；
G0可表示为
式中，为氧化剂的质量流率，Ab为燃料内通道面积。
对同种氧化剂、不同氧化流强下可测得燃面退移速率，对上式两边取对数可得lnr＝lna+nlnG0，由于G0已知，由不同流强下的燃面退移速率r，可拟合得到a和n的值。只要在一发动机试验里控制氧化剂流量等参数在一定范围内变化，计算出其在每个状态下的瞬时燃面退移速率，就可归纳出固体燃料药柱的燃面退移速率关系式。然而，上式表示的是燃料的平均燃面退移速率，有一定的局限性。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法；通过改变氧化剂种类和氧化剂流强，由中断燃烧实验得到不同燃烧条件下推进剂的局部燃面退移速率。
本发明固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.制备配方为:0～92％HTPB、0.5～2.2％MAPO、0～7.5％TDI、0～35％石蜡、0～0.8％高分子添加剂、0～32％CTPB、0～30％纳米Al粉的圆柱形药柱，或星形药柱，并将药柱放置在固液混合发动机内；
步骤2.打开电磁阀通入氧气，调节电磁阀将氧气的流量控制在 50～200kg/m2.s；
步骤3.使用5g黑火药进行点火；从点火开始计时，当发动机工作3s、6s 或9s时关闭电磁阀，中断氧气供给，使发动机熄火；
步骤4.将发动机冷却30min，待燃料冷却后,将燃料从发动机取出；
步骤5.沿轴向在距燃料的头部10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、 80mm处截取横截面，使用游标卡尺量取各截面的内径，通过计算可得到燃烧中断后不同位置的肉厚HLi；
步骤6.按下式求得燃料不同位置处的燃面退移速率：
式中，H为燃烧前燃料的肉厚，HLi为燃烧中断后不同位置的肉厚，
r为燃面退移速率，t为发动机工作时间，i为截面数据点。
有益效果
本发明提出的一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法，当燃料在发动机中燃烧时，燃料燃烧后为不规则的锥面，在不同的截面处存在不同的燃面退移速率，通过迅速中止氧化剂的供给，使燃料的燃烧中断，待发动机冷却后，取出未燃烧的燃料并对不同位置处燃料的肉厚进行测量，结合燃烧前燃料的肉厚可得到某一时间范围内不同位置处的燃面退移速率。
(1)由于燃料燃烧后为不规则的锥面，在不同的截面处存在不同的燃面退移速率，因此局部燃面退移速率的准确获得可为研究不同流场条件下燃料的燃烧规律提供实验数据支持。
(2)由于存在局部燃面退移速率，在靠近喷管处的燃料先燃烧完，使得燃烧浪费，因此可为燃料形状尺寸的设计以及发动机燃烧室的设计提供参考。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法作进一步详细说明。
图1a为燃烧前的药柱轴向剖视图。
图1b为燃烧前的药柱左视图。
图2为某一燃烧时刻的药柱轴向剖视图。
图3a为星形药柱的横截面示意图。
图3b为星形药柱的横截面A-A处剖视图。
图中
1.燃烧前的燃料 2.燃烧前的孔道 3.某一燃烧时刻的燃料
4.某一燃烧时刻的孔道
具体实施方式
本实施例是一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法。
参阅图1a～图3b,本实施例通过改变氧化剂种类和氧化剂流强，由中断燃烧实验得到不同燃烧条件下推进剂的局部燃面退移速率特性。当燃料在发动机中燃烧时，通过迅速中止氧化剂的供给使燃料的燃烧中断，待发动机冷却后，取出未燃烧的燃料，并对不同位置处燃料的肉厚进行测量，结合燃烧前燃料的肉厚更可得到某一时间范围内燃料不同位置处的燃面退移速率。若中断燃烧的时间间隔缩短，则可以得到燃料的准瞬时局部燃面退移速率。
应用固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法，具体步骤如下:
(1)制备配方为：0～92％HTPB、0.5～2.2％MAPO、0～7.5％TDI、0～35％石蜡、0～0.8％高分子添加剂、0～32％CTPB、0～30％纳米Al粉；尺寸为：外径D为50mm，内径d 为20mm，长度L为90mm的圆柱形药柱，或外径D为50mm，长度L为90mm，肉厚e1为11mm，特征尺寸l为13mm，星角数n为6，星槽圆弧半径r为1mm，星边夹角θ为90°，星角系数ε为0.6的星形药柱；将药柱放置在混合发动机内；
(2)打开电磁阀通入氧气，调节电磁阀将氧气的流量控制在50～200kg/m2.s；
(3)使用5g黑火药进行点火；
(4)从点火开始计时，当发动机工作3s、6s或9s时关闭电磁阀，中断氧气供给，使发动机熄火；
(5)将发动机冷却30min，待燃料冷却后，将燃料从发动机取出；
(6)沿轴向在距燃料的头部10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、 80mm处截取横截面，使用游标卡尺量取不同截面的内径，通过计算得到燃烧中断后不同位置的肉厚HLi；
(7)按下式求得燃料不同位置处的燃面退移速率：
式中，H为燃烧前燃料的肉厚，HLi为燃烧中断后不同位置的肉厚，
r为燃面退移速率，t为发动机工作时间，i为截面数据点。
通过改变氧化剂种类和氧化剂流强，由中断燃烧实验得到不同燃烧条件下推进剂的局部燃面退移速率。若中断燃烧的时间间隔缩短，则可以得到燃料的准瞬时局部燃面退移速率。
实验中要确保每次发动机氧化剂的流量不变，药柱的配方和尺寸相同。
实验过程：点火前记录药柱厚度H0，当发动机工作时间为t1，关闭发动机，取出药柱并记录不同位置的药柱厚度HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7、HL8。
由式(1)可得到药柱不同位置的燃速(H0-HL1)/t1，(H0-HL2)/t1，(H0-HL3) /t1，(H0-HL4)/t1，(H0-HL5)/t1，(H0-HL6)/t1，(H0-HL7)/t1，(H0-HL8)/t1。
实例一
本实施例中,制备配方为：92％HTPB、0.5％MAPO、7.5％TDI；尺寸为：外径D 为50mm，内径d为20mm，长度L为90mm的燃料药柱。将药柱放置在混合发动机内，并打开电磁阀通入氧气，调节电磁阀,将氧气的流量控制在100kg/m2.s，然后,使用5g黑火药进行点火。从点火开始计时，当发动机工作3s时关闭电磁阀，中断氧气供给，使发动机熄火。将发动机冷却30min，待燃料冷却后，将燃料从发动机取出，沿轴向在距燃料的头部10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、 70mm、80mm处截取横截面，使用游标卡尺量取不同截面的内径，通过与燃烧前的尺寸进行对比可得到不同截面的燃面推移速率，即局部燃面推移速率。采用相同的方法分别计算该类型燃料在工作6s和9s时的局部燃面推移速率。
实例二
本实施例中,制备配方为：35％石蜡、0.8％高分子添加剂、32％CTPB、2.2％MAPO、30％纳米Al粉；尺寸为：外径D为50mm，内径d为20mm，长度l为90mm的燃料药柱。将药柱放置在混合发动机内，打开电磁阀通入氧气，调节电磁阀,将氧气的流量控制在50kg/m2.s，然后使用5g黑火药进行点火。从点火开始计时，当发动机工作3s时关闭电磁阀，中断氧气供给，使发动机熄火。将发动机冷却 30min，待燃料冷却后，将燃料从发动机取出，沿轴向在距燃料的头部10mm、20mm、 30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm处截取横截面，使用游标卡尺量取不同截面的内径，经计算可得到不同截面的燃面推移速率，即局部燃面推移速率。在不同的氧气流量100kg/m2.s、150kg/m2.s和200kg/m2.s下，采用相同的方法计算燃料的其它三个局部燃面推移速率。
实例三
本实施例中,制备配方为：35％石蜡、0.8％高分子添加剂、32％CTPB、2.2％MAPO、30％纳米Al粉的燃料药柱；药柱的尺寸为：外径D为50mm，长度L为90mm，肉厚e1为11mm；特征尺寸l为13mm，星角数n为6，星槽圆弧半径r为1mm，星边夹角θ为90°，星角系数ε为0.6的星形药柱。将药柱置于混合发动机内，打开电磁阀通入氧气，调节电磁阀，将氧气的流量控制在50kg/m2.s，然后使用 5g黑火药进行点火。从点火开始计时，当发动机工作3s时关闭电磁阀，中断氧气供给，使发动机熄火。将发动机冷却30min，待燃料冷却后，将燃料从发动机取出，沿轴向在距燃料的头部10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、 80mm处截取横截面，使用游标卡尺量取不同截面的内径，经计算得到不同截面的燃面推移速率，即局部燃面推移速率。在不同的氧气流量100kg/m2.s、 150kg/m2.s和200kg/m2.s下，采用相同的方法，计算燃料其它三个局部燃面推移速率。

Claims (1)

1.一种固液混合发动机燃料局部燃面退移速率测试方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.制备配方为:0～92％HTPB、0.5～2.2％MAPO、0～7.5％TDI、0～35％石蜡、0～0.8％高分子添加剂、0～32％CTPB、0～30％纳米Al粉的圆柱形药柱，或星形药柱，并将药柱放置在固液混合发动机内；
步骤2.打开电磁阀通入氧气，调节电磁阀将氧气的流量控制在50～200kg/m2.s；
步骤3.使用5g黑火药进行点火；从点火开始计时，当发动机工作3s、6s或9s时关闭电磁阀，中断氧气供给，使发动机熄火；
步骤4.将发动机冷却30min，待燃料冷却后,将燃料从发动机取出；
步骤5.沿轴向在距燃料的头部10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm处截取横截面，使用游标卡尺量取各截面的内径，通过计算可得到燃烧中断后不同位置的肉厚HLi；
步骤6.按下式求得燃料不同位置处的燃面退移速率：
式中，H为燃烧前燃料的肉厚，HLi为燃烧中断后不同位置的肉厚，
r为燃面退移速率，t为发动机工作时间，i为截面数据点。
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