CN109884267A - 用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法，属于推进剂测试领域。本发明的实验装置包括燃烧器、电连接器、信号采集仪、进排气装置、托盘装置和旋转试验台。燃烧器用于为推进剂的燃烧提供实验环境，燃烧器包括推进剂药条、导线、电热丝和靶线。托盘装置用于承载燃烧器，包括托盘、固定螺母、心轴和连接杆。进排气装置包括至少三个接头的转接头、压力传感器、进气阀、过滤器和排气阀。旋转试验台用于承载托盘装置和燃烧器，提供过载环境。本发明还公开基于所述装置实现的试验方法。本发明采用靶线法测量推进剂燃速，能够在过载条件下实现对推进剂在多种角度下的燃烧速度测量和燃烧压力测量，具有结构简单、易于实现等优点。

Description

用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于过载条件下推进剂多角度燃速测量且燃烧方向可调的实验装置及方法，特别涉及一种采用靶线法测量固体推进剂燃速、能配合旋转试验台模拟过载环境，且能使推进剂的燃烧方向在0°—90°范围内可调的燃烧实验装置，属于推进剂测试领域。

背景技术

在固体火箭发动机中，压强、初温和气流速度等环境因素的变化，会导致固体推进剂的燃速变化，进而影响火箭发动机的弹道性能，飞行速度和工作稳定性。因此，推进剂的燃速是武器所要求的重要性能之一，测定燃速并研究其变化规律，可为固体火箭发动机和装药提供重要的设计参数。推进剂燃速常用的测定方法是靶线法。靶线法测定推进剂药条燃速的原理是把四侧包覆的药条，钻孔并用靶线穿过，置于充满氮气的燃烧器中。测出药条燃烧靶距长度所需要的时间，然后计算得到燃速。根据不同压力，不同温度下测得的燃速，可计算出燃速压力指数和燃速温度敏感系数。

固体火箭发动机在实际工作中处于过载状态，因此，在实验中应该将推进剂置于一个过载环境中，再测量其燃烧速度。此外，火箭发动机在工作过程中所受过载力的方向可能改变，造成推进剂燃烧方向与过载力方向的夹角发生变化，这种夹角的变化也会对燃烧造成一定影响。因此，燃烧器在实验中的安装角度应该是可调节的，这是因为推进剂固定于燃烧器内，当实验提供的过载力方向不变时，调节燃烧器的安装角度以改变推进剂的燃烧方向，从而使推进剂燃烧方向与过载力方向的夹角可调。采取所述措施能在实验中反映出，当该夹角变化时，推进剂相应的燃烧情况。综上所述，设计一种用于过载条件下，能对固体推进剂在多种角度下的燃速进行测量的燃烧实验装置，是非常有必要的。

发明内容

本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法要解决的技术问题是：在过载条件下实现对推进剂在多种角度下的燃烧速度测量和燃烧压力测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置，原理是以靶线法测量固体推进剂燃速，包括燃烧器、电连接器、信号采集仪、进排气装置、托盘装置和旋转试验台。燃烧器用于为推进剂的燃烧提供实验环境，燃烧器包括推进剂药条、导线、电热丝和靶线。托盘装置用于承载燃烧器，包括托盘、固定螺母、心轴和连接杆。进排气装置包括至少三个接头的转接头、压力传感器、进气阀、过滤器和排气阀。旋转试验台用于承载托盘装置和燃烧器，为实验提供过载环境。

作为优选，所述转接头优选等径三通转接头。

连接关系：推进剂药条固定在燃烧器中，药条的一端沿径向开有供电热丝和靶线穿过的小孔，给电热丝通电后将药条点燃，火焰从一端向另一端传播。用于测量推进剂药条燃烧速度的两根靶线穿过药条平行安装，并保持预设靶距。电连接器安装在燃烧器的外壳上，电连接器的作用一是将外部电源的电流通过导线引入燃烧器内的电热丝；作用二是将靶线烧断时产生的脉冲信号传递给燃烧器外部的信号采集仪，计算得出推进剂燃速。为了在靶线、电热丝和外部电路间传递信号，将导线的一端连接靶线或电热丝，从燃烧器内部将另一端连接到电连接器上，再从电连接器的另一端连接至外部电路中。电连接器在实验中用于传递电信号。

进排气装置包括转接头、压力传感器、进气阀、过滤器和排气阀。压力传感器和进气阀的作用是在实验开始前对燃烧室内充入高压气体，并能通过压力传感器测量当推进剂药条燃烧时燃烧室内的压力变化。过滤器和排气阀的作用是在推进剂完全燃烧后，将燃烧产物先经过滤器过滤，再通过排气阀排出。进排气装置的各元件间都是以管道通过焊接方式进行连接。旋转试验台的作用是承载托盘与燃烧器，共同旋转以产生离心力，为推进剂的燃烧提供过载环境。托盘装置的作用是承载燃烧器，包括托盘、固定螺母、心轴和连接杆。托盘用于固定燃烧器；位于托盘两侧的两根心轴对称布置，分别通过托盘上的通孔装入旋转台的安装孔内，在长度上应保证有一段轴颈能伸出安装孔，并在这段伸出的轴颈上加工出螺纹，最后用固定螺母拧紧，从而将托盘和心轴固定在旋转台上；连接杆的作用是从另一端连接托盘和旋转台，使用不同尺寸的连接杆，从而使燃烧器在不同的安装角度下进行实验。使燃烧器在不同的安装角度下进行实验具体实验方法为：以心轴为圆心，旋转托盘并调整托盘的安装角度以改变药条的燃烧方向，再使用相应长度的连接杆连接托盘和旋转台。由于旋转台水平，所产生的离心力始终在水平面内，改变药条的燃烧方向从而实现药条燃烧方向与所受过载力方向夹角可调的功能。

上述燃烧实验装置的作用是在燃烧方向可调的情况下，以试验台旋转产生的离心力为推进剂提供过载环境，并采用靶线法测量推进剂的燃烧速度。

本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置的试验方法为：按照所述用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置连接关系将实验装置组装完成后，打开进排气装置中的进气阀门，向燃烧器内充入高压氮气，根据压力传感器判断室内压强是否达到实验设定值，若室内压强达到实验设定值后，关闭进气阀门。将托盘以水平角度装配至旋转试验台，将心轴通过托盘上的孔装入旋转试验台的安装孔内，再以固定螺母拧紧，然后将燃烧器固定于托盘上，完成装配。起动旋转台，当旋转台达到额度转速后，燃烧器则处于过载环境下，然后给电连接器通电，电流通过电连接器和导线传递至燃烧器内的电热丝，电热丝发热并点燃药条，火焰从一端向另一端传播，并先后烧断第一根和第二根靶线，共产生两次脉冲信号，信号通过导线和电连接器传递至燃烧器外部的信号采集仪，记录得到两次脉冲信号的间隔时间Δt，根据两根靶线的距离L和间隔时间Δt，即能够推算出推进剂的平均燃速v。待药条完全燃烧且经历一段时间的冷却后，打开排气阀门，将残余废气通过过滤器和排气阀门排出，实现在过载条件下，当燃烧器水平放置时对推进剂的燃速测量和压力测量。完成当燃烧器水平放置时对推进剂的燃速测量和压力测量后，松开固定螺母，根据设定的实验角度，以托盘心轴为圆心，顺时针旋转托盘，使托盘的安装角度符合实验要求，再拧紧固定螺母并使用相应长度的连接杆将托盘和试验台连接起来，然后重复燃烧器水平放置时对推进剂在过载环境下的燃速测量方法，实现在过载条件下对推进剂在多角度下的燃速测量。

有益效果

1.本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法，采用靶线法测量燃烧器中固体推进剂的燃速，具有结构简单、易于实现等优点。

2.本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法，结合燃烧器和旋转试验台共同进行燃烧实验，利用旋转试验台转动时产生的离心力模拟固体火箭发动机中的高过载环境，使实验数据更真实可信。

3.本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法，采用一套托盘装置作为燃烧器与旋转试验台之间的连接装置，通过心轴的螺纹段和固定螺母将托盘固定在旋转台上，并将燃烧器安装于托盘上。以心轴为圆心，转动托盘并调整托盘安装角度以改变药条的燃烧方向。再使用相应长度的连接杆连接托盘和旋转台，由于旋转台水平，所产生的离心力始终在水平面内，改变药条的燃烧方向从而实现药条燃烧方向与过载力方向夹角可调的功能。

4.本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置及方法，采用一套进排气装置用于燃烧器的进气和排气，提供燃烧实验所需要的初始高压环境，并能以压力传感器测量燃烧室内的压强变化，最后使用过滤器和排气阀门用于排出燃烧室内的残余废气，便于再次进行实验。

附图说明

图1为具体实施方式中，将燃烧器与托盘装配到旋转台上后，采用靶线法测量固体推进剂燃速的实验原理图，图2为图1的俯视图，主要反映燃烧器、托盘和旋转台的装配关系。图3是托盘装置与水平面成45°角时的连接示意图。

其中，1-旋转试验台，2-连接杆，3-托盘，4-燃烧器，5-压力传感器，6-排气阀，7-过滤器，8-三通接头，9-进气阀，10-电源，11-信号采集仪，12-电连接器，13-导线，14-电热丝，15-靶线，16-推进剂，17-心轴，18-固定螺母，19-配重块。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图和具体的实施例来对本发明进行进一步的说明。

实施例1

如图1、2所示，本发明公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置，包括旋转试验台1，连接杆2，托盘3，燃烧器4，压力传感器5，排气阀6，过滤器7，三通接头8，进气阀9，电源10，信号采集仪11，电连接器12，导线13，电热丝14，靶线15，推进剂16，心轴17，固定螺母18和配重块19。

连接关系：推进剂推进剂16固定在燃烧器4中，推进剂16沿径向开有三个小孔，分别供电热丝14和两根靶线15穿过，电源10用于给电热丝14通电，电热丝14发热并点燃推进剂16，火焰从一端向另一端传播。用于测量燃速的两根靶线15平行安装，两者间距离为L＝100mm。电连接器12安装在燃烧器4的外壳上，电连接器12的作用一是将电源10的电流通过导线13传递至电热丝14；作用二是当两根靶线15分别烧断时，将靶线15烧断所产生的脉冲信号先后传递给信号采集仪11，并得出两次脉冲信号的时间间隔Δt，根据靶距L和间隔时间Δt，即可推算出药条平均燃速v。为了在靶线15、电热丝14和外部电路间传递信号，需要将导线13的一端连接靶线15或电热丝14，从燃烧器4内部将另一端连接到电连接器12上，再从电连接器12的另一端连接至燃烧器4外部的电源10或信号采集仪11中。电连接器12在实验中起到传递电信号的作用。

在燃烧器4中的燃烧室中引出一根管道，用于将燃烧室和外部的进排气装置相连接。进排气装置包括压力传感器5，排气阀6，过滤器7，三通接头8，进气阀9。进气阀9和排气阀6选用型号相同的高压截止阀，分别用于燃烧室的进排气。压力传感器5和进气阀9的作用是在实验开始前向燃烧室内充入高压氮气，并通过压力传感器5控制燃烧室内的初始压力。过滤器7和排气阀6的作用是在推进剂16完全燃烧后，将燃烧产物先经过滤器7过滤，再通过排气阀6排出。进排气装置中的各个元件之间都是以管道通过焊接方式进行连接。

托盘3用于固定燃烧器4，位于托盘3两侧的两根心轴17对称布置，分别通过托盘3上的通孔装入旋转台1的安装孔内，在长度上应保证有一段轴颈能伸出安装孔，并在这段伸出的轴颈上加工出螺纹，最后用固定螺母18拧紧，从而将托盘3和心轴17固定在旋转试验台1上。托盘3的右侧铸有一块凸出的销孔，旋转台1上有同样的结构，连接杆2的两头分别连接这两个销孔，从而将托盘3从另一端与旋转台1相连接。图1是托盘装置水平放置时的情形，图3是托盘装置与水平面成45°角时的情形，使用不同尺寸的连接杆2，从而使燃烧器4在不同的安装角度下进行实验，具体做法为：点A是心轴17的中心，以点A为圆心，顺时针旋转托盘装置并调整托盘的安装角度，使推进剂16的燃烧方向发生改变，再使用相应长度的连接杆2将托盘3和旋转台1连接起来。由于旋转台1水平，所产生的离心力始终处于水平面内，改变推进剂16的燃烧方向从而实现了药条燃烧方向与所受过载力方向夹角可调的功能。

托盘装置、燃烧器及其余实验装置安装在旋转台左侧，旋转台右侧应安装相同的托盘装置，并加入配重块19，使旋转台两侧承重相同。由于托盘装置和燃烧器等实验装置的总质量较大，且旋转试验台的转速较高，为保证系统运行时的工作稳定性，应在右侧加以配重块19，实现整体结构的动平衡。

所述的电连接器12数量共三个，每个电连接器12都是两芯接头，共六个接头，可连接六根导线13，其中两根用于连接电源10和电热丝14，另外两根分别连接两根靶线15的一端与信号采集仪11，最后两根连接两根靶线15的另一端与信号采集仪11。

所述的连接杆2应按照实验需求而制造。例如，实验需要燃烧方向与过载力方向夹角分别为0°，15°，30°，45°，60°等系列值，则应在设计过程中计算好对应情况下各连接杆的长度，从而达到实验目的。

所述的旋转试验台1应由电机驱动且能达到一定转速，从而为推进剂的燃烧提供高过载环境。

所述的旋转试验台1，应在右侧应安装相同的托盘装置，并加入配重块19，使旋转台两侧承重相同，保证当试验台旋转时，实验系统的工作稳定性。

本实施例公开的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置的试验方法为：按照所述连接关系将实验装置组装完成后，打开进排气装置中的进气阀门9，向燃烧器4内充入高压氮气，根据压力传感器5判断室内压强是否达到实验设定值，若室内压强达到实验设定值后，关闭进气阀门9；将托盘3以水平角度装配至旋转试验台1，将心轴17通过托盘3上的孔装入旋转试验台1的安装孔内，再以固定螺母18拧紧，然后将燃烧器4固定于托盘3上，完成装配；起动旋转台1，当旋转台1达到额度转速后，燃烧器4则处于过载环境下，然后给电连接器(12)通电，电流通过电连接器12和导线13传递至燃烧器4内的电热丝14，电热丝14发热并点燃药条16，火焰从一端向另一端传播，并先后烧断第一根和第二根靶线15，共产生两次脉冲信号，信号通过导线13和电连接器12传递至燃烧器4外部的信号采集仪11，记录得到两次脉冲信号的间隔时间Δt，根据两根靶线15的距离L和间隔时间Δt，即能够推算出推进剂16的平均燃速v；待药条16完全燃烧且经历一段时间的冷却后，打开排气阀门6，将残余废气通过过滤器7和排气阀门6排出，实现在过载条件下，当燃烧器4水平放置时对推进剂16的燃速测量和压力测量；完成当燃烧器4水平放置时对推进剂16的燃速测量和压力测量后，松开固定螺母18，根据设定的实验角度，以心轴17为圆心，顺时针旋转托盘3，使托盘3的安装角度符合实验要求，再拧紧固定螺母18并使用相应长度的连接杆2将托盘3和试验台1连接起来，然后重复燃烧器4水平放置时对推进剂16在过载环境下的燃速测量方法，实现在过载条件下对推进剂在多角度下的燃速测量。

以上描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置，其特征在于：包括旋转试验台(1)、燃烧器(4)、信号采集仪(11)、电连接器(12)、进排气装置和托盘装置；燃烧器(4)用于为推进剂(16)的燃烧提供实验环境，燃烧器(4)包括导线(13)、电热丝(14)、靶线(15)和推进剂药条(16)；托盘装置用于承载燃烧器(4)，包括连接杆(2)、托盘(3)、心轴(17)和固定螺母(18)；进排气装置包括压力传感器(5)、排气阀(6)、过滤器(7)、至少三个接头的转接头(8)和进气阀(9)；旋转试验台(1)用于承载托盘装置和燃烧器(4)，为实验提供过载环境。

2.如权利要求1所述的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置，其特征在于：推进剂药条(16)固定在燃烧器(4)中，药条(16)的一端沿径向开有供电热丝(14)和靶线(15)穿过的小孔，给电热丝(14)通电后将药条(16)点燃，火焰从一端向另一端传播；用于测量推进剂药条燃烧速度的两根靶线(15)穿过药条(16)平行安装，并保持预设靶距；电连接器(12)安装在燃烧器(4)的外壳上，电连接器(12)的作用一是将外部电源的电流通过导线(13)引入电热丝(14)；作用二是将靶线(15)烧断时产生的脉冲信号传递给燃烧器外部的信号采集仪(11)，计算得出推进剂燃速；为了在靶线(15)、电热丝(14)和外部电路间传递信号，将导线(13)的一端连接靶线(15)或电热丝(14)，从燃烧器内部将另一端连接到电连接器(12)上，再从电连接器(12)的另一端连接至外部电路中；电连接器(12)在实验中用于传递电信号。

3.如权利要求1或2所述的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置，其特征在于：进排气装置包括压力传感器(5)、排气阀(6)、过滤器(7)、至少三个接头的转接头(8)和进气阀(9)；压力传感器(5)和进气阀(9)的作用是在实验开始前对燃烧室内充入高压气体，并能通过压力传感器(5)测量当推进剂药条(16)燃烧时燃烧室内的压力变化；过滤器(7)和排气阀(6)的作用是在推进剂(16)完全燃烧后，将燃烧产物先经过滤器(7)过滤，再通过排气阀(6)排出；进排气装置的各元件间都是以管道通过焊接方式进行连接；旋转试验台(1)的作用是承载托盘装置与燃烧器(4)，共同旋转以产生离心力，为推进剂(16)的燃烧提供过载环境；托盘装置的作用是承载燃烧器(4)，包括连接杆(2)、托盘(3)、心轴(17)和固定螺母(18)；托盘(3)用于固定燃烧器(4)；位于托盘(3)两侧的两根心轴(17)对称布置，分别通过托盘(3)上的通孔装入旋转台(1)的安装孔内，在长度上应保证有一段轴颈能伸出安装孔，并在这段伸出的轴颈上加工出螺纹，最后用固定螺母(18)拧紧，从而将托盘(3)和心轴(17)固定在旋转台(1)上；连接杆(2)的作用是从另一端连接托盘(3)和旋转台(1)，使用不同尺寸的连接杆(2)，从而使燃烧器(4)在不同的安装角度下进行实验。

4.如权利要求3所述的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置，其特征在于：使燃烧器(4)在不同的安装角度下进行实验具体实验方法为，以心轴(17)为圆心，旋转托盘(3)并调整托盘(3)的安装角度以改变药条(16)的燃烧方向，再使用相应长度的连接杆(2)连接托盘(3)和旋转台(1)；由于旋转台(1)水平，所产生的离心力始终在水平面内，改变药条(16)的燃烧方向从而实现药条(16)燃烧方向与所受过载力方向夹角可调的功能。

5.如权利要求4所述的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置，其特征在于：所述转接头选等径三通转接头(8)。

6.用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置的试验方法其特征在于：按照如权利要求1、2或3所述的用于过载条件下推进剂多角度燃速测量的实验装置的连接关系将实验装置组装完成后，打开进排气装置中的进气阀门(9)，向燃烧器(4)内充入高压氮气，根据压力传感器(5)判断室内压强是否达到实验设定值，若室内压强达到实验设定值后，关闭进气阀门(9)；将托盘(3)以水平角度装配至旋转试验台(1)，将心轴(17)通过托盘(3)上的孔装入旋转试验台(1)的安装孔内，再以固定螺母(18)拧紧，然后将燃烧器(4)固定于托盘(3)上，完成装配；起动旋转台(1)，当旋转台(1)达到额度转速后，燃烧器(4)则处于过载环境下，然后给电连接器(12)通电，电流通过电连接器(12)和导线(13)传递至燃烧器(4)内的电热丝(14)，电热丝(14)发热并点燃药条(16)，火焰从一端向另一端传播，并先后烧断第一根和第二根靶线(15)，共产生两次脉冲信号，信号通过导线(13)和电连接器(12)传递至燃烧器(4)外部的信号采集仪(11)，记录得到两次脉冲信号的间隔时间Δt，根据两根靶线(15)的距离L和间隔时间Δt，即能够推算出推进剂(16)的平均燃速v；待药条(16)完全燃烧且经历一段时间的冷却后，打开排气阀门(6)，将残余废气通过过滤器(7)和排气阀门(6)排出，实现在过载条件下，当燃烧器(4)水平放置时对推进剂(16)的燃速测量和压力测量；完成当燃烧器(4)水平放置时对推进剂(16)的燃速测量和压力测量后，松开固定螺母(18)，根据设定的实验角度，以心轴(17)为圆心，顺时针旋转托盘(3)，使托盘(3)的安装角度符合实验要求，再拧紧固定螺母(18)并使用相应长度的连接杆(2)将托盘(3)和试验台(1)连接起来，然后重复燃烧器(4)水平放置时对推进剂(16)在过载环境下的燃速测量方法，实现在过载条件下对推进剂在多角度下的燃速测量。