CN108663475A - 一种微药柱实时燃速测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微药柱实时燃速测试装置及其方法，包括透明窗燃烧室、可升降支撑平台、透明装填室、点火丝连接装置、供压稳压系统、高速摄影系统、压强传感器、铜棒和点火系统；利用高速摄影系统、以及所述透明装填室上设置的给光透明窗和拍摄透明窗的配合对微药柱实时燃速进行拍摄；利用点火丝连接装置调节点火丝连接杆的高度使得点火丝与微药柱上端面在同一高度上，点火丝与微药柱充分接触，固定好点火丝连接杆的位置，此装置可保证对微药柱稳定点火和点火的一致性。本发明的装置安装操作简单，安全，可以随时测试，准备时间短。

Description

一种微药柱实时燃速测试装置与方法

技术领域

本发明属于固体推进剂燃速测量领域，主要是涉及一种微药柱实时燃速测试装置及其方法。

背景技术

随着科学技术的发展，制造技术的不断提升，固体火箭发动机运用的范围越来越广，对固体火箭发动机的设计要求也越来越高，在众多的固体火箭发动机的性能参数中，固体推进剂的燃速是影响固体火箭发动机设计方案与性能的重要因素。微推进系统对微固体发动机的性能要求越来越高，需要我们对微型药柱的燃烧有着更深的认识，微尺度下固体推进剂燃速的测量，燃烧模型的探索，都需要设计新的实验装置。

我国现有的推进剂燃速的测试方法主要有静态的靶线法、水下声发射法；动态的有多靶线准动态燃烧性能测试方法、超声波动态燃速测试法、密闭爆发器动态测试技术等。

国军标规定的靶线法和水下声发射法，都是测试在初温和压强保持不变的条件下固定长度的固体推进剂药条的燃烧时间，由此计算平均燃速，以平均燃速来表示燃速的大小。靶线法和水下声发射法对药条的限制尺寸较大，不适用测微小药柱(L≤10mm)的燃速；且水下声发射法不适宜测低燃速的推进剂燃速。

西安电子科技大学刘科祥等人(中国专利：申请号201110039790.0)发明了一种固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统；此系统可以阶段性的反映固体推进剂燃速随压强变化而变化的情况，可方便、快捷地测出固体推进剂的燃速压强指数，属于动态测试范畴，测试结果比静态的靶线法和水下声发射法更接近固体推进剂在固体火箭发动机中燃烧的实际情况。但是此系统测试过程比较繁琐，通常用来测量15Mpa以下的推进剂燃速的特性，且对药条的尺寸限制较多，不可测微小尺寸(L≤10mm)的药条，不能以图像的方式实时反映燃烧情况。且点火丝采用穿过药柱与铜棒相连的方式来对药柱进行点火，对于常规尺寸药柱来说简单可行，但对于微药柱来说，此方法会破坏药柱的力学性能，打孔易造成药柱破碎，且操作起来不便。

西安电子科技大学的刘科祥等(中国专利：申请号200610043161.4)利用声发射法提供了一种固体推进剂燃速测试系统，它涉及测试仪器技术领域,其目的是采用该系统以提高对固体推进剂燃速的测试精度和测试效率,实现对测试数据进行管理与数据自动处理,并实现测试过程的自动化。该系统是在现有技术的基础上采用了计算机技术,系统由燃烧室、信号采集装置、气路、水路与温度调控装置和特别设计的系统控制装置组成。但该系统较为复杂，涉及较多部件，对推进剂的尺寸限制大，不可测微小尺寸(L≤10mm)的药条.不能以图像的方式实时反映燃烧情况。

裴庆等(中国专利：申请号201110039792.X)发明了固体推进剂超声波动态燃速测试系统，此系统包括燃烧室及配气单元、测试控制单元，在燃烧室顶部或底部设置有超声波发射或接收单元。本系统可以在一次测试中测得固体推进剂静态燃速、动态燃速、燃速压强指数和燃速温度敏感系数等参数，是静态测试设备测试效率的十倍；但是该系统操作较复杂，对推进剂的尺寸也有着较大限制，不可测微小尺寸(长度为2～10mm,直径为0.8～5mm)的药条,不能以图像的方式实时反映燃烧情况；且点火丝直接与铜柱相连的做法不适用于微药柱的点火，连接不稳定，操作不方便，可靠性低。

现有技术的测燃速中并没有针对小尺寸(长度为2～10mm,直径为0.8～5mm)药柱的测微技术，大多是对标准的常规尺寸(横截面4.5mm×4.5mm，长85mm)的药条测燃速；虽然2013年刘平安等人(中国专利：申请号201310671103.6)申请了可视化铝冰固体推进剂燃速测试系统，但也只是提供了将推进剂燃速测试与高速摄影联系结合的思路方法，没有详细的装置设计，没有说明能测什么尺寸的药柱，没有给出透明窗燃烧室的装置设计，没有给出具体的放药装置和点火装置及方式。

发明内容

要解决的技术问题：

基于现有技术的不足之处，本发明提出一种微药柱实时燃速测试装置及其方法，利用高速摄影系统实现实时拍摄图像反映燃烧情况，并利用点火丝连接装置实现对微小尺度(长度为2～10mm,直径为0.8～5mm)药柱简单稳定的点火，并实现结果数字化的微药柱燃速装置。该装置安装操作简便，适用于测量压强≤30Mpa条件下的推进剂燃速，适合测量低、中、高燃速的推进剂燃速，后续处理比较简单，并且有较高的精度。

本发明的技术方案是：一种微药柱实时燃速测试装置，其特征在于：包括透明窗燃烧室、可升降支撑平台、透明装填室、点火丝连接装置、供压稳压系统、高速摄影系统、压强传感器、铜棒和点火系统；

所述透明窗燃烧室包括排气阀、进气阀、给光透明窗、第一密封圈、第一侧端盖、压强传感器连接口、第二密封圈、上端盖、燃烧室壳体、挡光盖、拍摄透明窗、第三密封圈和第二侧端盖；所述排气阀、进气阀和压强传感器连接口设置于所述透明窗燃烧室的侧壁；所述给光透明窗和拍摄透明窗设置于所述透明窗燃烧室相邻两个侧壁上；所述上端盖通过所述第二密封圈密封安装于所述透明窗燃烧室上端面的开口处，所述第一侧端盖通过所述第一密封圈密封安装于所述给光透明窗上，所述第二侧端盖通过所述第三密封圈密封安装于所述拍摄透明窗上；所述两个挡光盖分别盖合于第一侧端盖和第二侧端盖外端面；

所述可升降支撑平台固定设置于所述透明窗燃烧室内，所述透明装填室固定安装于所述可升降支撑平台凹槽内；所述透明装填室上端面设置有固定槽和微药柱放置槽，固定槽用于固定所述点火丝连接装置；

所述铜棒穿过并固定于所述透明窗燃烧室上端盖，所述点火系统通过铜棒与所述点火丝连接装置连接；所述点火丝连接装置包括点火丝、点火丝连接杆、上紧固螺母、下紧固螺母、导线连接棒和导线；所述上紧固螺母、点火丝连接杆和下紧固螺母依次同轴安装于所述导线连接棒上，所述上紧固螺母和下紧固螺母用于点火丝连接杆的上下位置调节和紧固；所述导线连接棒通过导线与所述铜棒连接；所述点火丝连接杆通过点火丝与所述微药柱放置槽内的微药柱连接；

所述高速摄影系统设置于所述透明窗燃烧室外，用于微药柱燃速的拍摄；所述压强传感器通过所述压强传感器连接口与透明窗燃烧室连接，所述供压稳压系统通过所述进气阀与所述透明窗燃烧室连接。

本发明的进一步技术方案是：所述可升降支撑平台包括底座、固定螺杆和活动部件；所述活动部件下端为中空结构，能够将所述底座插入其中并保持间隙配合；所述固定螺杆穿过所述活动部件下端侧壁的通孔，与所述底座接触，用于调节活动部件的升降位置。

本发明的进一步技术方案是：所述透明装填室为石英玻璃材质。

本发明的进一步技术方案是：所述可升降支撑平台固定设置于所述透明窗燃烧室中心位置和所述拍摄透明窗之间。

一种使用微药柱实时燃速测试装置的方法，其特征在于：

步骤一：将已知尺寸微药柱放入所述透明装填室的微药柱放置槽内；同时调节所述点火丝连接装置，使所述点火丝连接杆与微药柱上表面平齐；进而使所述点火丝一端与微药柱上表面充分接触，另一端固定于所述点火丝连接杆上；

步骤二：调节所述可升降支撑平台，使所述透明装填室在所述拍摄透明窗视线的中心；

步骤三：将所述微药柱实时燃速测试装置安装完成后，打开所述进气阀通入氮气检测所述透明窗燃烧室气密性；

步骤四；检测气密性良好后，关闭所述排气阀，将所述高速摄影系统和所述拍摄透明窗对准，通过所述给光透明窗将所述透明窗燃烧室内照亮；打开并调整所述高速摄影系统的镜头，保证拍摄图像清晰；

步骤五：打开所述供压稳压系统和进气阀，向所述透明窗燃烧室内冲入氮气达到预定压强后，关闭所述供压稳压系统和进气阀；接通电源对微药柱点火，微药柱燃烧，发出亮光，同时所述高速摄影系统拍摄微药柱的燃速图像信息。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明应用于测试微小尺度(长度为2mm～10mm,直径为0.8mm～5mm)推进剂药柱的燃速，解决了微小尺度推进剂药柱燃速的测试问题。通过调节可升降支撑平台的高度使透明装填室处于燃烧室透明窗的中心视线的位置，便于对微药柱拍摄；并将所述可升降支撑平台固定设置于靠近所述拍摄透明窗一侧，可减少燃烧烟雾向未燃烧区蔓延；透明装填室可以将微药柱很好的固定在透明窗视线中心处，并可以维持拍摄角度不变，可以在不同压强下拍摄清晰的燃烧图像。

将给光透明窗和拍摄透明窗设置于所述透明窗燃烧室相邻两个侧壁上，两个透明窗垂直设计可以避免相对设计时给光光源直接对摄像镜头的影响，出现炫光，使得拍摄图像更加的清晰。

利用点火丝连接装置调节点火丝连接杆的高度使得点火丝与微药柱上端面在同一高度上，点火丝与微药柱充分接触，固定好点火丝连接杆的位置，此装置可保证对微药柱稳定点火和点火的一致性。避免了采用穿过药柱与铜棒直接相连的方式对药柱进行点火时，造成对微药柱力学性能的破坏，打孔造成微药柱破碎的情况。

石英玻璃材质的透明装填室，耐1700摄氏度的高温，不易被燃烧产生的尾气污染。本发明的装置安装操作简单，安全，可以随时测试，准备时间短。

附图说明

图1：垂直透明窗图

图2：剖视图A-A

图3：剖视图B-B(简化)

图4：透明装填室

图5：点火丝连接装置和透明装填室

图6：可升降支撑平台

图7：供压稳压系统

图8：测试总体示意图

附图标记说明：1-排气阀，2-进气阀，3-透明装填室，301-拍摄透明窗,302-第三密封圈，303-第二侧端盖，4-可升降支撑平台，401-微药柱放置槽，402-固定槽，403-固定槽，5-点火丝，501-点火丝连接杆，502-上紧固螺母，503-下紧固螺母，504-导线连接棒，505-导线连接棒，506-上紧固螺母，507-点火丝连接杆，508-下紧固螺母，6-微药柱，7-给光透明窗8-第一密封圈，9-第一侧端盖，10-压强传感器连接口，11-铜棒，12-第二密封圈，13-上端盖14-燃烧室壳体，15-挡光盖，16-点火丝连接装置，17-导线。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参阅图1，本发明一种微药柱实时燃速测试装置包括透明窗燃烧室、可升降支撑平台4、透明装填室3、点火丝连接装置16、供压稳压系统、高速摄影系统、压强传感器、铜棒11和点火系统；所述透明装填室为石英玻璃材质。

所述透明窗燃烧室包括排气阀1、进气阀2、给光透明窗7、第一密封圈8、第一侧端盖9、压强传感器连接口10、第二密封圈12、上端盖13、燃烧室壳体14、挡光盖15、拍摄透明窗301、第三密封圈302和第二侧端盖303；排气阀1、进气阀2和压强传感器连接口10设置于所述透明窗燃烧室的侧壁；给光透明窗7和拍摄透明窗301设置于所述透明窗燃烧室相邻两个侧壁上；上端盖13通过第二密封圈12密封安装于所述透明窗燃烧室上端面的开口处，第一侧端盖9通过第一密封圈8密封安装于所述给光透明窗7上，第二侧端盖303通过第三密封圈302密封安装于拍摄透明窗301上；两个挡光盖15分别盖合于第一侧端盖9和第二侧端盖303外端面；

可升降支撑平台4固定设置于所述透明窗燃烧室内，透明装填室3固定安装于可升降支撑平台4凹槽内；透明装填室3上端面设置有固定槽402和403，以及微药柱放置槽401，固定槽402和403用于固定点火丝连接装置16；

铜棒11穿过并固定于所述透明窗燃烧室上端盖13，所述点火系统通过铜棒11与点火丝连接装置16连接；点火丝连接装置16包括点火丝5、点火丝连接杆501和507、上紧固螺母502和506、下紧固螺母503和508、导线连接棒504和505，以及导线17；上紧固螺母502、点火丝连接杆501和下紧固螺母503依次同轴安装于导线连接棒504上，上紧固螺母506、点火丝连接杆507和下紧固螺母508依次同轴安装于导线连接棒505上，上紧固螺母502、506和下紧固螺母503、508分别用于点火丝连接杆501和507的上下位置调节和紧固；导线连接棒504和505分别通过导线17与铜棒11连接；点火丝连接杆501和507通过点火丝5与微药柱6连接；

所述高速摄影系统设置于所述透明窗燃烧室外，用于微药柱燃速的拍摄；所述压强传感器通过压强传感器连接口10与透明窗燃烧室连接，所述供压稳压系统通过所述进气阀2与所述透明窗燃烧室连接。

所述可升降支撑平台包括底座、固定螺杆和活动部件；所述活动部件下端为中空结构，能够将所述底座插入其中并保持间隙配合；所述固定螺杆穿过所述活动部件下端侧壁的通孔，与所述底座接触，用于调节活动部件的升降位置。所述可升降支撑平台固定设置于所述透明窗燃烧室中心位置和所述拍摄透明窗之间，即靠近所述拍摄透明窗一侧，可减少燃烧烟雾向未燃烧区蔓延。

在石英玻璃材质透明装填室内放入直径为0.8～5mm之间，高度为2～10mm微药柱6，将点火丝5点火部分与微药柱6上端面充分接触，并固定在点火丝连接杆501和507上，把安装在上端盖13上的铜棒11与点火丝连接装置16的导线连接棒504和505分别用导线17相连，将铜棒11与万用表相连测电阻，如电阻不正常检查电路直至正常；放有微药柱6的透明装填室3通过可升降支撑平台4调节高度，使得透明装填室3处在拍摄透明窗301视线的中心，固定好可升降支撑平台4的高度；把上端盖13和第二密封圈13安装在燃烧室壳体14上，将压强传感器与压强传感器连接口10连接好，将供压稳压装置与进气阀2连接好，将各个连接件都安装好后，排气阀1的阀门关闭，向所述透明窗燃烧室内通气检查气密性，如出现漏气现象，确定漏气位置，关闭气瓶，打开排气阀1排气后，将漏气处重装，再重新测试是否漏气，反复进行，直至密封性良好，将高速摄像机镜头和拍摄透明窗301(可镀滤光膜)对齐，用强光手电在给光透明窗7处向燃烧室壳体14内打光，打开高速摄影采集系统，调整高速摄像机的镜头的焦距，并微调镜头方向，使图像清晰的呈现在电脑屏幕的正中心，关闭高速摄影采集系统，打开供压稳压系统，向燃烧室内和缓冲瓶内充入氮气，直至所需压强，关闭供压氮气瓶将点火电极与电源相连，打开采集系统，调好采集时间与频率，开始采集的同时进行点火，实验完成后，首先关闭缓冲瓶和进气阀，打开排气阀排气，拆开装置后，要把透明装填室内的药渣清理干净，避免燃烧后的药渣残留物对透明装填室壁面造成污染，影响下一发实验所采集的图像数据的清晰度。

本发明的具体的测试步骤：

一、先将要测量的已知尺寸的微药柱放入透明装填室的微药柱放置槽(直径为0.8～5mm之间；深度为2～10mm)内，调节点火丝连接杆高度，使之与微药柱上表面平齐，将点火丝点火部分与微药柱上端面充分接触，并固定在点火丝连接杆上，将上端盖的铜棒与点火丝连接装置的导线连接棒用导线相连接，将铜棒与万用表相连测电阻，如电阻不正常检查电路直至正常；然后将上述的透明装填室放入燃烧室可升降支撑平台中固定好位置，调节支撑平台的高度，使得透明装填室处在透明窗201视线的中心，固定好升降平台的高度；在燃烧室壳体上端面和侧面透明窗的凹槽中放入相应的密封圈，把上端盖、压强传感器、供压稳压装置、透明窗(有机玻璃或石英玻璃材质)、侧端盖分别和燃烧室壳体相应位置连接好，压强传感器和采集系统连接好。

二、打开供压氮气瓶和进气阀向燃烧室内通入氮气来检查安装好后的燃烧室的气密性，如出现漏气情况，先确认好哪里漏气，再关掉氮气瓶和进气阀，打开排气阀直至燃烧室内气压降至大气压，将漏气的连接部位，拆开检查，解决所出现的问题，再按正确的方式装回，在进行气密性检查，直至气密性良好。

三、关闭排气阀，将高速摄像机镜头和透明窗1对齐，用强光手电在透明窗7处向壳体内打光，打开高速摄影采集系统，调整高速摄像机的镜头的焦距，并微调镜头方向，使图像清晰的呈现在电脑屏幕的正中心，关闭高速摄影采集系统，

四、打开供压稳压系统和进气阀，向燃烧室和缓冲瓶中冲入氮气直到实验所要求的压强，关闭供压氮气瓶，打开高速摄影采集系统，将各个采集参数调好，将上端盖的铜棒和点火电源连接好，再次检查实验安装情况确保无恙后，点击采集系统采集指令，1秒后接通电源，对微药柱点火，微药柱燃烧，发出亮光，被摄像机采集到，经过采集系统处理，在电脑屏幕上呈现出实时燃烧图像，实验完成后关闭测试软件，保存实验数据并清理实验装置。

重复步骤1至4，按照实验要求改变压强，每个压强至少有3次有效实验。

Claims (5)

1.一种微药柱实时燃速测试装置，其特征在于：包括透明窗燃烧室、可升降支撑平台、透明装填室、点火丝连接装置、供压稳压系统、高速摄影系统、压强传感器、铜棒和点火系统；

所述透明窗燃烧室包括排气阀、进气阀、给光透明窗、第一密封圈、第一侧端盖、压强传感器连接口、第二密封圈、上端盖、燃烧室壳体、挡光盖、拍摄透明窗、第三密封圈和第二侧端盖；所述排气阀、进气阀和压强传感器连接口设置于所述透明窗燃烧室的侧壁；所述给光透明窗和拍摄透明窗设置于所述透明窗燃烧室相邻两个侧壁上；所述上端盖通过所述第二密封圈密封安装于所述透明窗燃烧室上端面的开口处，所述第一侧端盖通过所述第一密封圈密封安装于所述给光透明窗上，所述第二侧端盖通过所述第三密封圈密封安装于所述拍摄透明窗上；所述两个挡光盖分别盖合于第一侧端盖和第二侧端盖外端面；

所述可升降支撑平台固定设置于所述透明窗燃烧室内，所述透明装填室固定安装于所述可升降支撑平台凹槽内；所述透明装填室上端面设置有固定槽和微药柱放置槽，固定槽用于固定所述点火丝连接装置；

所述铜棒穿过并固定于所述透明窗燃烧室上端盖，所述点火系统通过铜棒与所述点火丝连接装置连接；所述点火丝连接装置包括点火丝、点火丝连接杆、上紧固螺母、下紧固螺母、导线连接棒和导线；所述上紧固螺母、点火丝连接杆和下紧固螺母依次同轴安装于所述导线连接棒上，所述上紧固螺母和下紧固螺母用于点火丝连接杆的上下位置调节和紧固；所述导线连接棒通过导线与所述铜棒连接；所述点火丝连接杆通过点火丝与所述微药柱放置槽内的微药柱连接；

所述高速摄影系统设置于所述透明窗燃烧室外，用于微药柱燃速的拍摄；所述压强传感器通过所述压强传感器连接口与透明窗燃烧室连接，所述供压稳压系统通过所述进气阀与所述透明窗燃烧室连接。

2.根据权利要求1所述微药柱实时燃速测试装置，其特征在于：所述可升降支撑平台包括底座、固定螺杆和活动部件；所述活动部件下端为中空结构，能够将所述底座插入其中并保持间隙配合；所述固定螺杆穿过所述活动部件下端侧壁的通孔，与所述底座接触，用于调节活动部件的升降位置。

3.根据权利要求1所述微药柱实时燃速测试装置，其特征在于：：所述透明装填室为石英玻璃材质。

4.根据权利要求1所述微药柱实时燃速测试装置，其特征在于：：所述可升降支撑平台固定设置于所述透明窗燃烧室中心位置和所述拍摄透明窗之间。

5.一种使用权利要求1所述微药柱实时燃速测试装置的方法，其特征在于：

步骤一：将已知尺寸微药柱放入所述透明装填室的微药柱放置槽内；同时调节所述点火丝连接装置，使所述点火丝连接杆与微药柱上表面平齐；进而使所述点火丝一端与微药柱上表面充分接触，另一端固定于所述点火丝连接杆上；

步骤二：调节所述可升降支撑平台，使所述透明装填室在所述拍摄透明窗视线的中心；

步骤三：将所述微药柱实时燃速测试装置安装完成后，打开所述进气阀通入氮气检测所述透明窗燃烧室气密性；

步骤四；检测气密性良好后，关闭所述排气阀，将所述高速摄影系统和所述拍摄透明窗对准，通过所述给光透明窗将所述透明窗燃烧室内照亮；打开并调整所述高速摄影系统的镜头，保证拍摄图像清晰；

步骤五：打开所述供压稳压系统和进气阀，向所述透明窗燃烧室内冲入氮气达到预定压强后，关闭所述供压稳压系统和进气阀；接通电源对微药柱点火，微药柱燃烧，发出亮光，同时所述高速摄影系统拍摄微药柱的燃速图像信息。