CN108680700B - 一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统 - Google Patents
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Abstract
一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火实验系统，包括驱动系统、液压系统、电控系统、可视化燃烧室与高速摄影系统；其中，驱动系统包括高压储气罐、金属软管、电动蝶阀、连杆和驱动缸；液压系统包括油缸、油箱和压缩缸。高压储气罐的出口通过金属软管连接电动蝶阀的入口，其出口连接驱动缸的第一空气入口，驱动活塞、液压活塞以及压缩活塞通过两根连杆连接，压缩活塞可在压缩缸内运动，油箱通过油泵和卸油电磁阀连接油缸的出入口；使用时，当位于可视化燃烧室系统内的含能材料晶体受到压力冲击时，高速摄影系统将采集含能材料晶体的着火信息，并通过电控系统同时记录、分析数据。本发明结构简单、操作简便，可精确记录含能材料晶体自着火的过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统，用于含能材料晶体自着火的时间测量以及图像信息(如燃烧速度、传播过程等)的获取。
背景技术
随着高新技术在战争中大量应用，弹道武器在战争中的作用越来越重要，这就要求推进剂能够大幅度提高能量；但是随着推进剂的高能化，弹道武器的安全性有所下降，因此需要研制钝感、安全可靠的推进剂，以防止外界恶劣条件引起的推进剂自燃或引爆。
在新型推进剂研制成功投入使用之前都要对其进行燃速、压力敏感程度等的参数研究。这时就需要对少量推进剂也就是含能材料晶体进行测试实验。
目前大多数获得着火延迟时间数据的方法是通过采集燃烧过程中的压力信号或者OH发光信号。无法通过可观察的视频或者图片直接判断着火的发生以及具体情况。对于燃烧速度的测量一般都基于定容燃烧弹或者常压下的高速摄影技术，无法获得在瞬时冲击加载下的燃烧速度信息。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的局限性，提供了一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统。该系统安全、简单快捷、经济性好并且精度高、使用范围广。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统，包括驱动系统、液压系统、电控系统、可视化燃烧室系统以及高速摄影系统；其中，
驱动系统包括高压储气罐、金属软管、电动蝶阀、连杆以及驱动缸；
液压系统包括油缸、油箱和压缩缸；
电控系统包括控制与采集系统；
高压储气罐的出口通过金属软管连接电动蝶阀的入口，电动蝶阀的出口连接驱动缸的第一空气入口，驱动缸的驱动活塞通过连杆与油缸的液压活塞一端连接，液压活塞另一端与压缩缸的压缩活塞一端通过连杆连接，压缩活塞可从压缩缸的一端运动至另一端来实现对空气的压缩，油箱分别通过油泵和卸油电磁阀连接至油缸的两个液压油出入口；
使用时，含能材料晶体和压力传感器设置在可视化燃烧室系统内，当含能材料晶体受到压力冲击时，高速摄影系统用于采集可视化燃烧室系统中含能材料晶体的燃烧图像信息，并通过控制与采集系统同时记录数据，且将记录的数据进行分析处理得到着火延迟时间、燃烧速度。
本发明进一步的改进在于，高压储气罐的容积为0.2mm3，可承受10MPa的驱动压力。
本发明进一步的改进在于，驱动系统还包括空气压缩机，其出口分为两路连接至高压储气罐的入口，另一路连接至驱动缸的第二空气入口。
本发明进一步的改进在于，空气压缩机出口的两路管道上均设置有手动球阀。
本发明进一步的改进在于，可视化燃烧室系统包括具有中空腔体且两端开口的可视化燃烧室，含能材料晶体和压力传感器均设置可视化燃烧室内，可视化燃烧室开口的两端通过视窗端盖密封，且每个视窗端盖的中心镶嵌有石英视窗。
本发明进一步的改进在于，石英视窗与对应的视窗端盖之间设置有密封圈。
本发明进一步的改进在于，含能材料晶体通过旋转电极夹持在可视化燃烧室的中心处。
本发明进一步的改进在于，高速摄影系统包括光源、高速摄像机、第一透镜、第一反射镜、第二反射镜和第二透镜；工作时，光源产生的光线通过第一透镜与第一反射镜后，将光线通过一个石英视窗射入可视化燃烧室内照亮含能材料晶体，光线从另一个石英视窗中出来通过第二反射镜与第二透镜被高速摄像机吸收，形成图像。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明利用快速压缩机以及高速摄影技术，提出了一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统。具体来说，采用快速压缩机装置提供了瞬时的压力冲击加载，可实现0.1MPa-50MPa压力的加载，适用范围广。利用可调厚度的垫片，能够实现压缩比的精准控制。可视化燃烧室上开有石英玻璃窗口，实现了对含能材料晶体燃烧的实时动态监测与记录。并与压力传感器获得的压力信号形成对比，提高了数据的可靠性与精确度。旋转电极上下位置具有可调性，可夹持直径为1-20mm的含能材料晶体。
综上所述，本发明是采用高速摄像机同步记录含能材料晶体在快速压缩机上受到瞬时压力冲击时的自燃情况。本发明可以获取含能材料的着火延迟时间，以及燃烧速度等速度。
附图说明
图1为本发明一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统的结构示意图；
图2为本发明可视化燃烧室系统的结构示意图。
标号说明：
1-油箱，2-压缩缸，3-可视化燃烧室系统，4-光源，5-高速摄像机，6-第一透镜，7-控制与采集系统，8-油缸，9-连杆，10-驱动缸，11-金属软管，12-高压储气罐，13-空气压缩机，14-手动球阀，15-电动蝶阀，16-可视化燃烧室，17-螺栓孔，18-旋转电极，19-固定螺栓，20-含能材料晶体，21-石英视窗，22-密封圈，23-视窗端盖，24-第一反射镜，25-第二反射镜，26-第二透镜。
具体实施方式
为了更清晰地了解本发明，以下结合附图对本发明做详细描述。
如图1和图2所示，为本发明提供的一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统以及可视化燃烧室结构图，包括油箱1，压缩缸2，可视化燃烧室系统3，光源4，高速摄像机5，第一透镜6，控制与采集系统7，油缸8，连杆9，驱动缸10，金属软管11，高压储气罐12，空气压缩机13，手动蝶阀14，电动蝶阀15，可视化燃烧室16，螺栓孔17，旋转电极18，固定螺栓19，含能材料晶体20，石英视窗21，密封圈22，视窗端盖23，第一反射镜24，第二反射镜25，以及第二透镜26。
其中高压储气罐12的容积为0.2mm3，可承受10MPa的驱动压力，为瞬时加载较大的压力冲击提供了可能性。液压气缸借助供油系统(包括油箱1，油泵，进出油管)可建立超过10MPa的油压，在产生瞬间压力冲击之前起到顶住来自驱动缸10的气体压力。压缩活塞位于压缩缸2内，其行程为332mm，可视化燃烧室16可通过装加垫片(长度为10mm,20mm,30mm,40mm)来改变压缩比，另外还可通过装加垫片厚度为1,2,5mm的长度实现细微控制。该实验系统通过压缩缸2产生瞬时压力冲击后，到达装有Kistler 6125C型压力传感器的可视化燃烧室16。当含能材料晶体20受到压力冲击时，压力传感器以及高速摄影系统会同时记录数据。通过控制与采集系统7会将记录的数据进行分析处理得到着火延迟时间、燃烧速度等信息。
在驱动缸10两侧都设有手动蝶阀可实现驱动活塞在驱动缸内的往复移动。所述的液压系统包括油缸，油箱，油泵，进出油管。采用液压油实现系统的制动，减少机械制动的撞击以及工作的不稳定。通过在液压活塞上开取多个泄油孔，实现理想的减速过程。所述的电控系统包括控制与采集系统，其同时控制液压系统中泄油电磁阀、压力传感器以及高速摄像机。能够实现多通道精确控制。所述的燃烧室系统包括石英视窗，旋转电极通过旋转对不同尺寸的含能材料晶体进行夹持。燃烧室长度可通过不同厚度的垫片进行改变，从而来控制压缩比。所述的高速摄影系统包括光源，透镜，反射镜以及高速摄像机。使用纹影法对含能材料晶体进行实时的物理图像的采集。
为了对本发明进一步了解，现对其工作过程做出如下说明：
首先，需要通过空气压缩机13向高压储气罐12中充入一定的气体作为驱动源，并保持压力在驱动活塞过程中基本恒定，高压储气罐12直接与驱动缸10相连，中间装有电动蝶阀15用来阻隔高压气体。然后，在油缸8中利用供油系统给其提供足够大的油压，用来顶住右侧高压储气罐12的驱动压力，此时介于高压储气罐12与驱动缸10之间的电动蝶阀15处于打开状态。这样高压储气罐12中的高压气体将直接与驱动缸10中的驱动活塞接触，保证压缩开始之后驱动活塞能在高压气体的驱动下顺利向前推进。此时气体驱动过程基本完成。接着，图2中旋转电极18通过上下旋转调整电极之间的距离，将含能材料晶体20夹持在石英视窗21中心位置。利用固定螺栓19将石英视窗21以及可视化燃烧室16固定。打开光源4，光源4产生的光线通过第一透镜6与第一反射镜24将光线通过一个石英视窗21射入可视化燃烧室16内照亮含能材料晶体20，光线从另一个石英视窗21中出来通过第二反射镜25与第二透镜26被高速摄像机5吸收，形成图像。最终控制与采集系统7将同时控制液压系统中的泄油电磁阀，压力传感器以及高速摄像机5。通过电脑控制电磁阀打开，此时在油缸8中建立起来的高压油，通过回油管流回油箱1中，油缸8内的油压迅速下降，驱动缸10中的高压气体产生的驱动力会高于油缸8内液压油产生的制止活塞运动的力。因此驱动活塞会在高压气体的驱动下迅速前进，实现对可视化燃烧室16内的含能材料晶体20瞬间压力冲击，与此同时安装在可视化燃烧室16上的压力传感器以及高速摄像机5同步进行压力数据以及图像信息的采集。在含能材料晶体20着火以后，驱动活塞处于驱动缸10的前端，此时需要关闭驱动缸10与高压储气罐12之间的电动蝶阀15，将高压气体与驱动活塞阻隔开。打开驱动缸10与高压储气缸12之间的手动蝶阀，将存留在驱动缸10的高压气体排出。然后利用空气压缩机13以及驱动缸10两侧的手动蝶阀，将驱动活塞推回驱动缸10的末端即靠近高压储气罐12的一端。至此，整个过程结束。
综上所述，本发明采用高速摄影技术以及快速压缩装置对含能材料晶体在压力冲击加载下自着火现象进行微观与宏观的观测，提取出含能材料的着火延迟时间，燃烧速度等重要信息。同时，本发明实验装置安全简便，易于操作，实验精度高。
Claims (5)
1.一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统，其特征在于，包括驱动系统、液压系统、电控系统、可视化燃烧室系统(3)以及高速摄影系统；其中，
驱动系统包括高压储气罐(12)、金属软管(11)、电动蝶阀(15)、连杆(9)以及驱动缸(10)；
液压系统包括油缸(8)、油箱(1)和压缩缸(2)；
电控系统包括控制与采集系统(7)；
高压储气罐(12)的出口通过金属软管(11)连接电动蝶阀(15)的入口，电动蝶阀(15)的出口连接驱动缸(10)的第一空气入口，驱动缸(10)的驱动活塞通过连杆(9)与油缸(8)的液压活塞一端连接，液压活塞另一端与压缩缸(2)的压缩活塞一端通过连杆连接，压缩活塞可从压缩缸(2)的一端运动至另一端来实现对空气的压缩，油箱(1)分别通过油泵和卸油电磁阀连接至油缸(8)的两个液压油出入口；
使用时，含能材料晶体(20)和压力传感器设置在可视化燃烧室系统(3)内，当含能材料晶体(20)受到0.1MPa-50Mpa的压力冲击时，使用纹影法对含能材料晶体进行实时的物理图像的采集，具体通过高速摄影系统采集可视化燃烧室系统(3)中含能材料晶体(20)的燃烧图像信息，并通过控制与采集系统(7)同时记录数据，且将记录的数据进行分析处理得到着火延迟时间、燃烧速度；
驱动系统还包括空气压缩机(13)，其出口分为两路连接至高压储气罐(12)的入口，另一路连接至驱动缸(10)的第二空气入口；
可视化燃烧室系统(3)包括具有中空腔体且两端开口的可视化燃烧室(16)，含能材料晶体(20)和压力传感器均设置可视化燃烧室(16)内，可视化燃烧室(16)开口的两端通过视窗端盖(23)密封，且每个视窗端盖(23)的中心镶嵌有石英视窗(21)；
高速摄影系统包括光源(4)、高速摄像机(5)、第一透镜(6)、第一反射镜(24)、第二反射镜(25)和第二透镜(26)；工作时，光源(4)产生的光线通过第一透镜(6)与第一反射镜(24)后，将光线通过一个石英视窗(21)射入可视化燃烧室(16)内照亮含能材料晶体(20)，光线从另一个石英视窗(21)中出来通过第二反射镜(25)与第二透镜(26)被高速摄像机(5)吸收，形成图像。
2.根据权利要求1所述的一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统，其特征在于，高压储气罐(12)的容积为0.2mm3，可承受10MPa的驱动压力。
3.根据权利要求1所述的一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统，其特征在于，空气压缩机(13)出口的两路管道上均设置有手动球阀(14)。
4.根据权利要求1所述的一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统，其特征在于，石英视窗(21)与对应的视窗端盖(23)之间设置有密封圈(22)。
5.根据权利要求1所述的一种观察冲击加载下含能材料晶体自着火的实验系统，其特征在于，含能材料晶体(20)通过旋转电极(18)夹持在可视化燃烧室(16)的中心处。
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