CN109521142A - 一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空航天技术领域，提供了一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置及方法。该装置利用压缩空气来建立内部压力环境，主要参数可调，能够准确修正发动机工作时燃烧室压强所引起的固体推进剂声速变化。其特征是利用高压气泵来建立高压环境，并使用高精度位移传感器测量压强引起的推进剂变形量，再通过超声波换能器及测试软件获得其声速并进行压力修正。本发明的效果和益处是可以准确给出高压环境所引起的推进剂变形误差，直接得到环境压强对固体推进剂内部声速的影响，为超声波动态燃速测量的压力修正提供实验方法和实现手段；与现有的密闭容器压力修正实验相比，可以精确测量推进剂在压力环境下的变形量，使修正更为精确。

Description

一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置及方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，涉及到固体推进剂燃速的超声波动态测试技术，特别涉及到一种由于发动机内部压力变化而导致固体推进剂变形和内部声速变化所引起的测量误差修正装置。
背景技术
固体推进剂燃速是固体火箭发动机设计中的重要参数，它定义为单位时间内沿着推进剂燃烧表面的法线方向上推进剂燃烧掉的部分的厚度。随着固体火箭发动机技术的快速发展，需要更为准确、客观的燃速表示方法来体现外界环境对固体推进剂燃烧性能的影响。
超声波动态燃速测试技术是国外进行固体推进剂动态燃烧性能研究的主要技术手段，可以实时监测发动机工作时固体推进剂的燃速。超声波燃速测量是利用脉冲反射法来测量推进剂的实时厚度。当超声波在不同介质中传播时，遇到声阻抗不同的材料界面就会发生反射，因此通过测量超声波的发射和回波接收时间差，并根据介质中的声波波速就可以得到声波反射面的距离信息。例如把超声波换能器(探头)安装于发动机壳体外侧时，超声波换能器向内部的推进剂装药以一定的频率发射超声波；超声波可以穿透壳体和固体推进剂，并在推进剂/燃气界面(即燃面)发生反射，反射波由换能器再次接收后，就可以计算出燃面的位置；通过测量不同时刻时的燃面位置，即可获得燃速。
因为基于超声波技术的动态燃速测量精度直接受到材料中的超声波传播速度的影响，而超声波在材料中的传播速度与材料受压状态有关，所以燃烧室压力变化会对超声波信号的传播特性造成影响。目前来说，国外对于超声法燃速测试技术中因压力变化造成的声波波速变化，都是采用公式：
对波速vs进行修正。其中，vs为超声波在材料中传播的速度；kp是由经验确定的常数，它代表了推进剂中声波速度的压力敏感性，通常由实验测量得到；下标ref表示参考条件。在实际操作时，将推进剂试样放入密闭燃烧器，然后根据需要调节密闭燃烧器内的压力，使用超声波测试设备测量出超声波在推进剂中的传播时间τs，通过公式：
vs＝2Ls/τs (2)
计算出不同压强下的声速，再计算获得kp。计算过程中，试样厚度Ls为初始厚度Ls,ref。
这种声速修正方法的主要不足是由于推进剂在高压下会发生变形，即厚度发生变化，所以该方法无法确定变形造成的影响。
发明内容
本发明提供了一种利用高压气泵来建立高压环境，并使用高精度位移传感器测量由于内压环境造成的推进剂变形量ΔL，再通过超声波换能器及测试软件获得其声速并进行压力修正的实验装置。该装置解决了密闭高压环境内推进剂变形量测量的问题，能够准确测量压力环境下推进剂变形量对声速的影响，从而获得的修正声速更加精确；同时实验装置结构简单，压力调节方便、操作方便快捷。
本发明的技术方案：
一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置，通过该装置对固体火箭发动机内压环境所造成的燃速测量误差进行修正；该装置分为超声波测量段、圆筒段和高精度位移测量机构三部分；
所述的超声波测量段主要由夹持装置1、耦合材料4和左端盖3组成；超声波探头2由夹持装置1压在耦合材料4外侧；耦合材料4与左端盖3之间通过锥面密封；推进剂试样5粘贴在耦合材料4内侧上；超声波探头2和耦合材料4界面、耦合材料4和推进剂试样5界面均不能有气体，以保证超声波信号的良好传输；
所述的圆筒段为具有金属耐压的压力容器筒体7，其厚度根据耐压压强计算，其两端分别与左端盖3和右端盖11通过螺纹进行连接，并采用O型圈密封；压力容器筒体7上设置有进排气孔9，进排气孔9与高压气泵或高压气瓶连接，通过加入或排出气体来控制装置的内部压强；
所述的高精度位移测量机构主要由磁致伸缩传感器12、套筒6和弹簧10组成；磁致伸缩传感器12为细长杆型结构，通过螺纹与右端盖11连接，使用O型圈密封；测量杆上套有磁环8，磁环8与套筒6一端紧固连接；磁环8与右端盖11之间的测量杆上套有弹簧10，弹簧10呈压缩状态，使套筒6另一端与推进剂试样5保持接触；推进剂试样5的厚度变化由磁致伸缩传感器12测出。
所述的压力环境的建立和推进剂试样5声速的测量按以下步骤进行：
(1)推进剂试样5的表面为平面，在参考条件下(1atm和室温)使用卡尺测量出其初始厚度Ls,ref；
(2)将推进剂试样5安装在装置内部，记录磁致伸缩传感器12的读数L1，并通过超声波测量设备测出超声波信号在推进剂试样5中的传播时间τs,ref，根据公式(2)计算参考状态的声速vs,ref；
(3)根据实验需求，使用高压气泵或气瓶向装置内部加压，使之达到实验所需的压强p；
(4)测量推进剂试样5厚度
记录此时磁致伸缩传感器12的读数L2，得在该压强条件下推进剂试样5的实际厚度为Ls＝Ls,ref+(L2–L1)，再根据公式(2)得到压强p时的声速
(5)重复步骤(3)和(4)就得到不同压强条件下的声速。
所述的耦合材料4采用环氧树脂类材料。
本发明的有益效果：本发明的装置可以准确给出高压环境所引起的推进剂变形误差，直接得到环境压强对材料内部声速的影响，为超声波动态燃速测量的压力修正提供实验方法和实现手段；与现有密闭容器压力修正实验相比，可以精确测量推进剂在压力环境下的变形量，使修正更为精确。
附图说明
图1压力修正实验装置正面剖视图。
图2是实施例1中综合考虑厚度变化影响的压力修正曲线图，斜率代表推进剂中声波速度的压力敏感系数。
图中：1夹持装置；2超声波探头；3左端盖；4耦合材料；5推进剂试样；
6套筒；7压力容器筒体；8磁环；9进排气孔；10弹簧；11右端盖；
12磁致伸缩传感器。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1：
模拟内压25MPa的压力环境；测试推进剂试件5为圆柱状固体推进剂，其主要成分为端羟基聚丁二烯。
1)设计压力容器筒体7内部直径φ＝40mm，长度为200mm。建立压力环境采用高压气泵通过进排气孔9对压力修正装置加压，并用精密压力表测量其内部压力；进排气阀门与精密压力表(测量精度为0.01MPa)位于压力容器筒体7中央位置。
2)为保证良好的密封性能，耦合材料4的锥角设计为15°，耦合材料4厚度为20mm，内表面直径φ＝40mm，外表面直径φ＝30mm，安装在左端盖3上；左端盖3与压力容器筒体7之间采用O型圈密封，密封圈尺寸为φ51mm(外径)×3mm(线径)。
3)超声波探头2为1.0MHz单晶探头，通过夹持装置1与左端盖3连接；超声波探头2表面涂有医用耦合剂，与耦合材料4紧密贴合；超声波测量设备的最大测量厚度为45mm。
4)使用游标卡尺测量推进剂试样5厚度Ls,ref为41.02mm；将推进剂试样5用医用耦合剂粘贴在耦合材料4内表面；通过超声波测量设备测量得到超声波信号在推进剂试样5中的传播时间τs,ref＝55.350μs，得到超声波在推进剂试样5中传播的声速vs,ref为1481m/s。
5)选择的磁滞伸缩高精度位移传感器的精度为0.01mm，记录未增压时磁致伸缩传感器12的读数L1为19.61mm。
6)使用高压气泵向承压装置内部加压，使压强达到25MPa；记录此时磁致伸缩传感器12的读数L2为19.94mm，可得该压强条件下推进剂试样5的实测厚度Ls＝40.67mm；
7)通过超声波测量设备测量得到25MPa压力环境下超声波信号在试样中的传播时间τs＝52.133μs；根据推进剂试样5的实测厚度Ls，可以得到在25MPa压力环境下超声波在推进剂试样5中传播的速度为1560m/s，考虑厚度变化的声速变化为79m/s。
8)重复步骤6～7得到不同压强条件下的声速
9)根据公式(1)对考虑厚度变化下的声速数据进行处理，得到图2，曲线斜率即表示推进剂中声波速度的压力敏感性系数通过计算可得压力影响系数为2.03×10-3/MPa。

Claims (3)

1.一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置，通过该装置对固体火箭发动机内压环境所造成的燃速测量误差进行修正；其特征在于，该装置分为超声波测量段、圆筒段和高精度位移测量机构三部分；
所述的超声波测量段主要由夹持装置(1)、耦合材料(4)和左端盖(3)组成；超声波探头(2)由夹持装置(1)压在耦合材料(4)外侧；耦合材料(4)与左端盖(3)之间通过锥面密封；推进剂试样(5)粘贴在耦合材料(4)内侧上；超声波探头(2)和耦合材料(4)界面、耦合材料(4)和推进剂试样(5)界面均不能有气体，以保证超声波信号的良好传输；
所述的圆筒段为具有金属耐压的压力容器筒体(7)，其厚度根据耐压压强计算，其两端分别与左端盖(3)和右端盖(11)通过螺纹进行连接，并采用O型圈密封；压力容器筒体(7)上设置有进排气孔(9)，进排气孔(9)与高压气泵或高压气瓶连接，通过加入或排出气体来控制装置的内部压强；
所述的高精度位移测量机构主要由磁致伸缩传感器(12)、套筒(6)和弹簧(10)组成；磁致伸缩传感器(12)为细长杆型结构，通过螺纹与右端盖(11)连接，使用O型圈密封；测量杆上套有磁环(8)，磁环(8)与套筒(6)一端紧固连接；磁环(8)与右端盖(11)之间的测量杆上套有弹簧(10)，弹簧(10)呈压缩状态，使套筒(6)另一端与推进剂试样(5)保持接触；推进剂试样(5)的厚度变化由磁致伸缩传感器(12)测出。
2.根据权利要求1所述的用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置，其特征在于，所述的耦合材料(4)采用环氧树脂类材料。
3.一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的方法，其特征在于，所述的压力环境的建立和推进剂试样(5)声速的测量按以下步骤进行：
(1)推进剂试样(5)的表面为平面，在参考条件下使用卡尺测量出其初始厚度Ls,ref；
(2)将推进剂试样(5)安装在装置内部，记录磁致伸缩传感器(12)的读数L1，并通过超声波测量设备测出超声波信号在推进剂试样(5)中的传播时间τs,ref，计算参考状态的声速vs,ref；
(3)根据实验需求，使用高压气泵或气瓶向装置内部加压，使之达到实验所需的压强p；
(4)测量推进剂试样(5)厚度
记录此时磁致伸缩传感器(12)的读数L2，得在该压强条件下推进剂试样(5)的实际厚度为Ls＝Ls,ref+(L2–L1)，计算得到压强p时的声速
(5)重复步骤(3)和(4)就得到不同压强条件下的声速。
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