CN110005547A - 基于固体火箭发动机高温颗粒沉积状态的试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置和方法，该试验装置，包括：一火箭发动机，火箭发动机包括竖直设置的试验段，和与试验段垂直且贯通设置的石墨喷管，试验段底部为高温颗粒沉积处；一石墨测温件，包括若干个纵向间隔排布的测温热电偶，并设置在试验段底部高温颗粒沉积处的各个测温节点，解决了现有技术中无法对发动机中液态氧化铝沉积过程可视化观察，以及无法获得沉积过程中氧化铝对壁面传热温度变化的问题。

Description

基于固体火箭发动机高温颗粒沉积状态的试验装置和方法

【技术领域】

本发明属于航天科学技术领域，具体涉及一种基于固体火箭发动机高温颗粒 沉积研究的试验装置和方法。

【背景技术】

含有金属燃料的复合推进剂具有能量高，能够有效抑制高、中频震荡燃烧等 优点，目前作为固体火箭发动机的主要动力能源被广泛采用。但其会在燃烧过程 中产生大量的金属化合物凝相颗粒，在燃烧室及喷管中形成高温高压的两相流环 境。飞行器在高速飞行过程中，发动机机体内部会产生很高的过载，高温两相流 会向发动机绝热层处聚集，对发动机壁面及绝热层会产生严重的烧蚀作用，影响 发动机的整体性能及使用寿命。

此外由于现代大型的固体火箭发动机喷管通常采用潜入式结构，该结构喷管 的很大一部分深入燃烧室或壳体内部，能够有效地缩短发动机长度，从而减少了 飞行器的自重，满足对发动机总体设计的要求，另一方面能为飞行器提供推力矢 量控制的活动喷管，大多也是潜入式的。喷管的潜入使燃烧室尾部流动变得非常 复杂，随着燃面推移和质量加入，流动情况会发生很大变化。含铝推进剂在燃烧 时产生的比较大的固体颗粒无法进入喷管，会沉积在潜入喷管背壁空腔，形成所 谓的熔渣沉积层。熔渣沉积对发动机的性能造成一定影响。由于熔渣不能排出， 使推进剂能量受到损失，并增加发动机的消极重量。熔渣的沉积使得发动机内壁 面的传热过程更加复杂，也会起到强化传热的作用。熔渣沉积处会使发动机壁面 强度下降，甚至造成发动机壳体烧穿，发动机失效等事故。

为了充分了解各个不同状态下高温颗粒沉积过程及其在沉积状态下的传热 的特性，此次实验装置将高过载模拟烧蚀发动机改造为易沉积结构，并在沉积壁 面上增加了测温组件，可以直接使用热电偶测量壁面节点的温度随时间的变化 率，这对于深入分析固体火箭发动机绝热层的在大量凝相粒子沉积的状态下的传 热特性及烧蚀情况有着重要意义。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装 置和方法，以解决现有技术中无法对发动机中液态氧化铝沉积过程可视化观察， 以及无法获得沉积过程中氧化铝对壁面传热温度变化的问题。

本发明采用以下技术方案：基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装 置，包括：

一火箭发动机，火箭发动机包括竖直设置的试验段，和与试验段垂直且贯通 设置的石墨喷管，试验段底部为高温颗粒沉积处；

一石墨测温件，包括若干个纵向间隔排布的测温热电偶，并设置在试验段底 部高温颗粒沉积处的各个测温节点。

进一步的，还包括：

一观察窗，开设于试验段的壳体上，且靠近高温颗粒的沉积处；

一X射线装置，包括布置在观察窗相对侧和同侧的X射线发射端和X射线 接收端；

一高速摄影机，设置在X射线接收端旁，用于将述X射线接收端显示的内 容传送至其他地方进行观测。

进一步的，试验段的底部设置的测温热电偶为K型热电偶。

进一步的，点火引燃推进剂药柱，产生富含凝相粒子的高温燃气，并在试验 段的底部形成高温凝相粒子的沉积；

通过石墨测温件获取试验段的底部高温颗粒沉积处上各个测温节点的实时 温度。

进一步的，使用X射线实时诊断技术，透过观察窗观察试验段中凝相粒子的 沉积过程图像。

本发明的有益效果是：通过调节固体火箭发动机的压强和温度来模拟真实发 动机的燃烧室压强和温度，粒子聚集密度可通过调整推进剂的铝粉含量、过渡收 敛段长度和收敛角度等来进行控制，粒子的速度可通过控制调节环及喷管喉部直 径来控制。该模式下，试验系统相对简单，可以可视化观察发动机中液态氧化铝 沉积过程的试验装置，试验状态参数很容易调节，而且各参数之间的相关性清楚， 可以通过改变单一试验参数的方法来研究粒子沉积传热特性的影响因素，并且该 装置可以测得沉积过程中氧化铝对壁面传热的温度变化，进而反算表面热流密度 变化。

【附图说明】

图1为本发明基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置的使用状态 示意图；

图2为本发明基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置的内部结构 示意图；

图3为本发明基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置的测温装置 结构示意图。

其中：1、吊环；2、前封头；3、燃烧室壳体；4、推进剂药柱；5、挡药板；6、点火药包；7、点火线密封塞；8、压帽；9、收敛段壳体；10、调节环；11、 试验段；12、喷管压盖；13、石墨喷管；14、推力顶杆；15、观察窗；16、石墨 测温件；17、绝热层；18、热电偶密封塞；19、下压帽；20、下接法兰，21.绝热 层，22.测温热电偶，23.热电偶丝，24.台架，25.X射线发射端，26.X射线接收 端，27.高速摄影机。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置和方 法，该装置是一种可模拟固体火箭发动机内不同条件下高温粒子来流在壁面沉积 的过程并能够测得壁面传热情况的装置。

如图1和图2所示，一种基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置 具体包括：

一火箭发动机，火箭发动机包括竖直设置的试验段11，和与试验段11垂直 且贯通设置的石墨喷管13，试验段11底部为高温颗粒沉积处。

推进剂药柱4采用复合推进剂，里面添加有铝粒子，推进剂高温燃烧后铝粒 子会融化成熔融态的铝液体，由于将试验段11垂直放置，熔融的氧化铝就会由 于重力作用下流入下部的沉积处，试验段11底部为高温颗粒沉积处。同时，由 于石墨喷管13垂直于试验段11设置，使得沉积物不会随着石墨喷管13流出或 附着在壁面上，便于集到沉积物并且观察到整个沉积过程。

一石墨测温件16，包括若干个测温热电偶22，并设置在试验段11底部的高 温颗粒沉积处。

还可以包括：

一观察窗15，开设于试验段11的壳体上，且靠近高温颗粒的沉积处；

一X射线装置，包括布置在观察窗15相对侧和同侧的X射线发射端25和X 射线接收端26；

一高速摄影机27，设置在X射线接收端旁26，用于将述X射线接收端26 显示的内容传送至其他地方进行观测。

其中，如图3所示，石墨测温件16，包括位于中间的一个绝热层21，在该 绝热层21的两侧面，交替、间隔的向其内部嵌入有若干个测温热电偶22，各个 测温热电偶22的热电偶丝23从绝热层21的两个侧面分别引出，并延伸至火箭 发动机机体外，再采用两个绝热层21分别从左右两侧将位于中间的绝热层21夹 住，使得石墨测温件16可以牢固的嵌装在试验段11的腔体内，并位于底部的高 温颗粒沉积处。

此处推荐使用的测温热电偶22为K型热电偶，每根热电偶丝23的线体部分 使用热缩管包裹，两根单线为一组，在测温件内预埋数量与间距分布可根据实验 具体情况自行拟定。测温热电偶22的安装结构如图3所示，此处暂定每个石墨 测温件16内预埋五组测温热电偶22，测温热电偶22纵向排布，每个测温热电偶 22的热电偶头部测温点按照顺序排列于石墨测温件16内，周围使用弹性绝热材 料包裹，热电偶丝23从绝热层21下方引出，此处三个绝热层21的缝隙应使用 耐高温酚醛树脂等粘性材料进行填充，确保本发明的实验装置整体在试验过程中 的气密性。

本发明还提供了一种基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置的 实验方法，具体为：

点火引燃推进剂药柱4，产生富含凝相粒子的高温燃气，并在试验段11的底 部形成高温凝相粒子的沉积；通过测温热电偶22获取试验段11底部高温颗粒沉 积处上各个测温节点的实时温度。

本发明还可以使用X射线实时诊断技术，透过观察窗15观察试验中凝相粒 子的沉积过程图像。还可以配合使用摄像机，实现对试验中凝相粒子的沉积过程 图像的远程观察。

本申请可以通过调整调节环10的口径，来调节粒子浓度与速度。

基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置的整体结构设计如图1所 示，整体固定在台架之上，避免在试验过程中实验设备产生相对位移。若需实时 观测发动机工作过程中高温凝相粒子的沉积过程，可在基于固体火箭发动机高温 颗粒沉积研究的试验装置两侧放置X射线实时诊断设备，X射线发射端25发出 的射线穿透试验段两侧铝制观察窗被另一侧接收端26所接收，利用其中图像增 强器把不可见的X射线监测信息转化为可视图像。在X射线接收端26配置有高 速摄影机27摄取可视图像，经计算机处理后，在显示器屏幕上显示出试验段11 内部的情形，通过此方法来观测并记录沉积过程。

本发明基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置能够通过更换部 分零部件的方式，改变试验参数，从而测得不同工况下的传热数据。基于固体火 箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置主要能够控制的与两相流冲刷效果相关 的试验参数为：粒子冲刷浓度与速度、测温点分布情况。

本发明的初衷就在于用最简单的方法可以实现不同浓度、速度凝相粒子沉积 状况的切换，并能够观测试验过程中测温节点的温度变化情况。因此，多种不同 工况之间的方便转换是设计的关键点之一，燃烧室、收敛段部分设计为公用部分， 只需更换不同口径的调节环10及石墨喷管13，就可以多种工况粒子沉积状态的 模拟。

本发明的试验装置可通过调节固体火箭发动机的压强和温度来模拟真实发 动机的燃烧室压强和温度，粒子聚集密度可通过调整推进剂的铝粉含量、过渡收 敛段长度和收敛角度等来进行控制，粒子的速度可通过控制调节环及石墨喷管喉 部直径来控制。该模式下，试验系统相对简单，试验状态参数很容易调节，而且 各参数之间的相关性清楚，可以通过改变单一试验参数的方法来研究粒子沉积传 热特性的影响因素。

实施例

本发明基于固体火箭发动机高温颗粒沉积状态的试验装置的内部结构如图2 所示，其主要零件含有：吊环1、前封头2、燃烧室3、推进剂药柱4、挡药板5、 点火药包6、点火线密封塞7、压帽8、收敛段9、调节环10、试验段11、喷管 压盖12、石墨喷管13、推力顶杆14、观察窗15、石墨测温件16、绝热层17、 热电偶密封塞18、下压帽19、下接法兰20。

火箭发动机包括同轴设置且贯通设置的燃烧室3、收敛段9和试验段11，试 验段11还贯通连接有与其垂直设置的石墨喷管13，试验段11腔体内的底部放置 有石墨测温件16，试验段11的壳体上开设有观察窗15。燃烧室3顶部设置有吊 环1和前封头2，其内设置有推进剂药柱4、挡药板5，燃烧室3上还设置有点火 药包6、点火线密封塞7、压帽8。收敛段9与试验段11相邻的端口处放置有调 节环10。石墨喷管13的出口处安装有喷管压盖12。试验段11的壳体上还设置 有推力顶杆14。试验段11的底部安装有下接法兰20，设置有热电偶密封塞18， 热电偶密封塞18的底部安装有下压帽19。

本发明基于固体火箭发动机高温颗粒沉积状态的试验装置的详细工作过程 为，先通过点火器通过点火线点燃点火药包6，点火药包6产生的热量引燃推进 剂药柱4，从而产生富含凝相粒子的高温燃气，流经过渡收敛段B加速，再经过 调节环10凝聚，产生高温、高压、高浓度的粒子流冲刷在石墨测温件16上，在 经过反弹折射，最后粒子流通过喷管13排出，试验段壳体11上端流体入口与石 墨喷管13处的流体出口的两相流流动方向成90°分布。试验过程中，大量高温凝 相粒子将在图2虚线方框所示区域产生沉积，使用X射线实时诊断技术可透过观 察窗15观察到试验中凝相粒子的沉积过程图像，同时测温热电偶将同步工作， 可以获得石墨测温件上各个测温节点的实时温度。

就试验装置总体尺寸及强度而言，试验所用药柱直径尺寸应控制在 80～190mm之间，药柱厚度不应超过85mm，燃烧室压强不高于9MPa，工作时间 控制在10s之内。

本发明通过调节固体火箭发动机的压强和温度来模拟真实发动机的燃烧室 压强和温度，粒子聚集密度可通过调整推进剂的铝粉含量、过渡收敛段长度和收 敛角度等来进行控制，粒子的速度可通过控制调节环及喷管喉部直径来控制。该 模式下，试验系统相对简单，试验状态参数很容易调节，而且各参数之间的相关 性清楚，可以通过改变单一试验参数的方法来研究粒子沉积传热特性的影响因 素。

Claims (5)

1.基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置，其特征在于，包括：

一火箭发动机，所述火箭发动机包括竖直设置的试验段(11)，和与所述试验段(11)垂直且贯通设置的石墨喷管(13)，所述试验段(11)底部为高温颗粒沉积处；

一石墨测温件(16)，包括若干个纵向间隔排布的测温热电偶(22)，并设置在所述试验段(11)底部高温颗粒沉积处的各个测温节点。

2.如权利要求1的基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置，其特征在于，还包括：

一观察窗(15)，开设于试验段(11)的壳体上，且靠近高温颗粒的沉积处；

一X射线装置，包括布置在观察窗(15)相对侧和同侧的X射线发射端(25)和X射线接收端(26)；

一高速摄影机(27)，设置在所述X射线接收端(26)旁，用于将述X射线接收端(26)显示的内容传送至其他地方进行观测。

3.如权利要求1或2所述的基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置，其特征在于，所述试验段(11)的底部设置的测温热电偶为K型热电偶。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的基于固体火箭发动机高温颗粒沉积研究的试验装置的试验方法，其特征在于，

点火引燃推进剂药柱(4)，产生富含凝相粒子的高温燃气，并在试验段(11)的底部形成高温凝相粒子的沉积；

通过石墨测温件(16)获取所述试验段(11)的底部高温颗粒沉积处上各个测温节点的实时温度。

5.如权利要求4的试验方法，其特征在于，使用X射线实时诊断技术，透过观察窗(15)观察试验段(11)中凝相粒子的沉积过程图像。