CN110082475A - 模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法和实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法和实验装置，实验方法为：在第一火箭发动机内进行第一次烧蚀实验，实验完成后，将实验段与第一收敛段分离，再将实验段与第二收敛段组装成为第二火箭发动机，间隔一定时间后，在第二火箭发动机内进行第二次烧蚀实验。通过本方法解决了现有技术中不能研究脉冲间隔时间对绝热材料烧蚀特性影响、以及不能够较好的模拟双脉冲发动机工作环境的问题。

Description

模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法和实验装置

【技术领域】

本发明属于绝热材料烧蚀技术领域，具体涉及一种地面模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法和实验装置。

【背景技术】

为了有效提高导弹的生存能力和作战能力，增加其射程，合理分配和使用能量，有时需要发动机多次启动。因此，采用能多次点火的多脉冲固体火箭发动机是未来导弹动力装置发展的趋势，目前的主流是双脉冲固体火箭发动机。双脉冲火箭发动机工作过程分为I脉冲-间隔期-II脉冲，具有两段独立的工作过程。在传统固体火箭发动机环境下，绝热材料的烧蚀是一个连续的过程，实验后生成具有炭化层-热解层-原始层的三层结构。而双脉冲发动机工作过程由于存在脉冲间隔，该阶段绝热材料在无燃气条件下继续烧蚀，工作完成后的绝热材料炭化层具有特殊的双层炭化层结构。

目前国内外对绝热材料烧蚀特性的研究开展大量的实验工作。Koo设计了模拟固体火箭发动机[1](SSRM)，其热流可达到2,840～13,700kW/m，火焰温度达到2,200oC，含铝燃气速度可以达到2,000m/s。其燃气速度远远高于燃烧室环境而温度偏低。何国强等人发展了能够缩比烧蚀实验发动机[2]，可以模拟真实固体火箭发动机燃烧室内环境。此外，通常采用氧乙炔烧蚀实验装置考核绝热材料[3]。传统的烧蚀实验研究方法准备周期长，不能研究脉冲间隔时间对绝热材料烧蚀特性的影响，而氧乙炔烧蚀实验的热流、压力、燃气速度等条件和发动机内环境相差较大，能够较好的模拟双脉冲发动机工作环境的烧蚀实验装置未见报道。

参考文献：

[1]Chaboki,A.,Koo,J.H.et al.,Supersonic Torch Facility for AblativeTesting,AIAA-90-1761,June 1990.

[2]何国强，陈景蕙，季成伍等，固体火箭发动机内绝热层烧蚀率实验研究，推进技术，Aug.1993，No.4。

[3]Natali M,Kenny J M,Torre L.Science and technology of polymericablative materials for thermal protection systems and propulsion devices:Areview[J].Progress inMaterials Science,2016,84:192-275.

【发明内容】

本发明的目的是提供一种模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法和实验装置，以解决现有技术中不能研究脉冲间隔时间对绝热材料烧蚀特性影响、以及不能够较好的模拟双脉冲发动机工作环境的问题。

本发明采用的第一种技术方案：模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法，

先组装第一火箭发动机，第一火箭发动机包括贯通的第一燃烧段、第一收敛段、实验段和喷管，第一收敛段和实验段为可拆卸连接；

再组装部分发动机，部分发动机包括贯通的第二燃烧段和第二收敛段，第二收敛段上设有与实验段可拆卸连接的连接部；

其中，在第一燃烧段和第二燃烧段中分别放置有不同的脉冲推进剂，在实验段中放置绝热材料试件；

在第一火箭发动机内进行第一次烧蚀实验，实验完成后，将实验段与第一收敛段分离，再将实验段与第二收敛段组装成为第二火箭发动机，间隔一定时间后，在第二火箭发动机内进行第二次烧蚀实验。

进一步的，将实验段安装在导轨上，通过移动导轨，从而牵引实验段靠近第一收敛段或第二收敛段。

本发明采用的第二种技术方案：模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，包括一个移动实验装置和两个固定实验装置：

移动实验装置，包括贯通设置的实验段和喷管；

每个固定实验装置，均包括贯通设置的燃烧段和收敛段；收敛段上均设置有用于与实验段可拆卸连接的连接部；

其中，移动实验装置用于可选择的与其中任意一个固定实验装置连接，并模拟组装为火箭发动机。

进一步的，移动实验装置具体包括：

一实验段，为包含进气端和出气端的空腔结构，其内部用于容纳绝热材料试件，进气端通过快速拆装结构，选择性的与任意一个固定实验装置的收敛段尾端密封连接；

一喷管，其一端与实验段的出气端连通，其另一端与大气连通。

进一步的，快速拆装结构包括：

安装段，为具有内螺纹的环状结构，位于每个收敛段的尾端并与收敛段一体设置；

压盖，为具有外螺纹的环状结构，套装在实验段的外壁；

其中，压盖用于与安装段螺纹连接，从而实现实验段与两个收敛段的连接或分离。

进一步的，实验装置还包括一移动机构，移动机构包括：

轴向滑轨，为两根导轨，每根导轨的延伸方向均与收敛段的开口方向相同；

横向滑轨，架设于轴向滑轨的两根导轨之间；

滑块，安装于横向滑轨的轨道中，其上安装有实验段；

其中，横向滑轨，用于沿着轴向滑轨往复移动，从而带动其上的实验段远离或靠近收敛段；

滑块，用于沿着横向滑轨往复移动，从而带动实验段从一个收敛段移动到另一个收敛段。

进一步的，两个固定实验装置同向、间隔设置，其中：

每个燃烧段，均为包含一开口的空腔结构，其内部用于容纳脉冲推进剂；

每个收敛段，均为由首端到尾端的内径逐渐缩小的空腔结构，其首端与燃烧段连通，其尾端具有一开口。

进一步的，每个固定实验装置的燃烧段均包括：

一脉冲燃烧室，为两端设有开口的空腔结构，其中一个开口与收敛段连通；

一顶盖，密封设置于脉冲燃烧室的另一开口处。

进一步的，实验段的进气端与收敛段的尾端通过密封圈密封连接。

进一步的，用于地面模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置还包括：

一平台，其上可拆卸连接有两个固定实验装置，并与轴向滑轨可拆卸连接。

本发明的有益效果是：通过本烧蚀实验装置可以很好的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀环境，组合多种烧蚀工况。并且可以精确控制两次烧蚀实验的间隔期，该装置在绝热材料试件不受破坏条件下极大地缩短了两次烧蚀实验之间的间隔时间，实现间隔期可调节，并能够多种烧蚀工况组合，可以达到研究双脉冲工作条件下绝热材料烧蚀特性的目的。

【附图说明】

图1是本发明的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置的结构示意图；

图2是本发明的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验的收敛段与实验段连接方式示意图。

其中，1.第一顶盖；2.第一脉冲推进剂；3.第一固定装置；4.第一脉冲燃烧室；5.第一脉冲收敛段；6.压盖；7.第三固定装置；8.实验段；9.绝热材料试件；10.喷管；11.轴向滑轨；12.横向滑轨；13.第二脉冲收敛段；14.第二脉冲燃烧室；15.第二固定装置；16.第二脉冲推进剂；17.第二顶盖；18.密封圈。

【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。

本发明提供了一种模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法，具体如下：先组装第一火箭发动机，第一火箭发动机包括贯通的第一燃烧段、第一收敛段、实验段和喷管，所述第一收敛段和所述实验段为可拆卸连接；

再组装部分发动机，部分发动机包括贯通的第二燃烧段和第二收敛段，所述第二收敛段上设有与所述实验段可拆卸连接的连接部；

其中，在第一燃烧段和第二燃烧段中分别放置有不同的脉冲推进剂，在实验段中放置热材料试件；

在第一火箭发动机内进行第一次模拟脉冲烧蚀实验，实验完成后，将实验段与第一收敛段分离，再将所述实验段与第二收敛段组装成为第二火箭发动机，间隔一定时间后，在第二火箭发动机内进行第二次模拟脉冲烧蚀实验。可以将所述实验段安装在导轨上，通过移动导轨，从而牵引实验段靠近第一收敛段或第二收敛段，以便于对第一收敛段或第二收敛段和实验段进行装配。

本发明采用的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法，不直接使用双脉冲固体火箭发动机，而采用两个并列的燃烧室结构，配合一个可移动的实验段部分，通过实验段分别与两个燃烧室结构的结合，模拟出双脉冲固体火箭发动机的工作环境。该方法思路使得本发明通过简单的结构，就实现了对复杂结构的模拟，能够很好地模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀环境，为后续对绝热材料烧蚀规律的研究奠定了良好的基础。

有上述分析看出，研究双脉冲固体火箭发动机中绝热材料的烧蚀规律，如果直接使用双脉冲固体火箭发动机，其结构非常复杂且造价高。所以我们可以采用普通火箭发动机，并对其按照本发明的思路进行改造后来完成该实验，也可以直接采用如下的实验装置来进行实验。

本发明还提供了一种用于地面模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，包括一个移动实验装置和两个固定实验装置。所述移动实验装置，包括贯通设置的实验段和喷管；每个所述固定实验装置，均包括贯通设置的燃烧段和收敛段；所述收敛段上均设置有用于与所述实验段可拆卸连接的连接部；其中，所述移动实验装置用于可选择的与其中任意一个固定实验装置连接，并模拟组装为火箭发动机。

两个固定实验装置分别用于模拟双脉冲固体火箭发动机内环境，可以模拟两次脉冲烧蚀，通过改变两个脉冲燃烧室内的推进剂的特性来进行多种烧蚀工况的组合。

其中，将这两个固定实验装置朝向相同放置，同时间隔一定的距离固定设置在平台上。每个固定实验装置均包括：

1.1、一燃烧段，为包含一开口的空腔结构，其内部用于容纳脉冲推进剂。两个固定实验装置的燃烧段内可以放置不同特性的推进剂。不同特性的含义为：推进剂配方不同、推进剂直径不同、推进剂厚度不同等。

具体包括：

一脉冲燃烧室，为两端设有开口的空腔结构，其中一个开口与所述收敛段连通；

一顶盖，密封设置于所述脉冲燃烧室的另一开口处，通常采用法兰将顶盖和脉冲燃烧室连接。

1.2一收敛段，为首尾均设置有开口的空腔结构，其首端到尾端的内径逐渐缩小，首端与所述燃烧段连通，尾端开口用于与实验段连通。

移动实验装置为一个，包括：

2.1一实验段8，实验段8为空腔结构，其两端分别为进气端和出气端，其内部用于容纳绝热材料试件9。实验段的进气端通过快速拆装结构，可以根据实验需要与任意一个固定实验装置的收敛段尾端密封连接。

密封方式可以采用密封圈18来密封连接。可以将密封圈18设置在每个收敛段尾端的凹槽里，当实验段和收敛段接触时即起到密封作用。

该快速拆装结构包括可以螺纹连接的压盖6和两个安装段。安装段为具有内螺纹的环状结构，位于每个所述收敛段的尾端并与收敛段一体设置。压盖6为具有外螺纹的环状结构，套装在所述实验段8的外壁，在没有与收敛段螺纹装配时，该压盖6套在实验段外侧且可以来回移动；在实验段的进气端设置挡板，可以使得压盖套在实验段上不脱落。

实验段与收敛段密封后，就可以进行一次烧蚀实验，那么快速拆装结构就是为了缩短两次烧蚀实验的间隔时间，缩短了实验段和两个收敛段安装和分离的时间。实验段压盖6为外螺纹，可以分别与两个收敛段接口的内螺纹配合，从而可以快速拆装某个收敛段与实验段，以便于根据实验需要，将实验段和某个收敛段分离或连接，相较于以前使用的法兰连接方式，极大的缩短了拆装用时。

2.2一喷管10，具有两个端口，一端与所述实验段8的出气端连通，另一端与大气连通，用于将实验装置内部气体排到外界；

2.3一移动机构，其上安装有实验段8，包括轴向滑轨11、横向滑轨12和滑块：

轴向滑轨11，为两根导轨，每根导轨的延伸方向均与所述收敛段的开口方向相同；

横向滑轨12，架设于所述轴向滑轨11的两根导轨之间；

滑块，安装于所述横向滑轨12的轨道中，其上安装有实验段8；

其中，所述横向滑轨12，用于沿着轴向滑轨11往复移动，从而带动其上的实验段8远离或靠近所述收敛段；所述滑块，用于沿着横向滑轨12往复移动，从而带动实验段8从一个收敛段移动到另一个收敛段。

移动机构设置目的是将实验段8与一个固定实验装置分离，并平稳的移动到另一个固定实验装置后再安装上。移动过程不需要手直接触碰高温的实验段，省去了等待实验段冷却的时间，可以快速的将实验段8从一个固定实验装置移动到另一个固定实验装置。

本用于地面模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置采用如下固定方式：

设置一个平台，将两个脉冲燃烧室通过固定装置安装在平台上，实验段8也可以通过固定装置安装在滑块上。该固定装置可以为卡箍。

实施例

本发明用于地面模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置的结构：

如图1所示，包括固定安装在平台顶面上的第一固定实验装置和第二固定实验装置，两个固定实验装置的朝向相同，且间隔一定距离设置。

第一固定实验装置包括连通设置的燃烧段和第一脉冲收敛段5，燃烧段包括依次连接的第一顶盖1和第一脉冲燃烧室4，第一顶盖1的内侧放置有第一脉冲推进剂2。

第二固定实验装置包括连通设置的燃烧段和第二脉冲收敛段13，燃烧段包括依次连接的第二顶盖17和第二脉冲燃烧室14，第二顶盖17的内侧放置有第二脉冲推进剂16。

平台靠近第一脉冲收敛段5和第二脉冲收敛段13一侧的侧面上，设置有移动机构。具体为安装在该侧面上的轴向滑轨11，以及架设在轴向滑轨11上的横向滑轨12，该横向滑轨12的轨道上匹配安装有滑块。

移动实验装置包括贯通设置的实验段8和喷管10，实验段8的内部放置有绝热材料试件9。将实验段8安装在上述移动机构的滑块上，推动横向滑轨12可以将实验段8靠近或者远离第一脉冲收敛段5和第二脉冲收敛段13，推动滑块可以将实验段8从第一脉冲收敛段5移动至第二脉冲收敛段13，或者从第二脉冲收敛段13移动至第一脉冲收敛段5。

第一脉冲燃烧室4通过第一固定装置3固定在平台上，第二脉冲燃烧室通过第二固定装置15固定在平台上，实验段8通过第三固定装置7固定在横向滑轨12的滑块上。

本发明用于地面模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置的实验过程为：

地面模拟双脉冲固体火箭发动机工作条件的烧蚀实验分为两个部分展开，第一步通过烧蚀实验发动机针对绝热材料开展模拟第一脉冲烧蚀实验，第二步针对该试样开展模拟第二脉冲烧蚀实验。

图1是地面模拟双脉冲固体火箭发动机工作条件的烧蚀实验装置的结构示意图。主要装配过程为：先将第一固定实验装置和第二固定实验装置分别装配好，并通过第一固定装置3、第二固定装置15固定在平台上。

然后将移动实验装置通过第三固定装置7固定在横向滑轨12的滑块上，并移动至第一固定实验装置的第一脉冲收敛段5处，通过压盖6将实验段8和第一脉冲收敛段5螺纹连接后，组装成为第一火箭发动机。

根据先设计的烧蚀实验工况，将第一脉冲推进剂2、第二脉冲推进剂16和绝热材料试件9分别置于第一脉冲燃烧室4、第二脉冲燃烧室14和实验段8中。

首先在第一火箭发动机中进行第一次模拟脉冲烧蚀实验，实验后，利用实验段压盖6快速将实验段8与第一脉冲收敛段5分离，并利用轴向滑轨11和横向滑轨12将实验段8与第二脉冲收敛段13对接，并通过扳手将实验段压盖6快速安装后，组装成为第二火箭发动机。在实验方案规定的间隔时间下，在第二火箭发动机内开展第二次模拟脉冲烧蚀实验。

如图2，表示任意一个收敛段与实验段8连接的装配图，从中可以看出，收敛段5与实验段8之间是面接触，并通过装在收敛段尾端的密封圈18来实现密封，利用实验段压盖6与第一脉冲收敛段5或第二脉冲收敛段13之间的螺纹配合实现装配。

使用本发明的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法和实验装置，可以组合多种烧蚀工况：1)影响绝热材料烧蚀率的一个主要因素就是其表面的燃气速度，通过气体动力学知识可知，当实验段通道截面积固定时，进入通道的燃气流量不同则燃气在通道内的流速不同，通过改变推进剂的直径即可调节流量，得到不同的燃气速度；2)通过改变推进剂的厚度可实现烧蚀时间的调节；3)双脉冲固体火箭发动机在一脉冲和二脉冲工作之间的间隔期对于飞行器而言是滑行阶段，间隔期时间长短根据实际情况而定，存在间隔时间很短(200s)的情况，普通烧蚀实验装置两次实验间至少需要3小时的冷却，而本装置两次实验的间隔时间极大地缩短，为研究间隔时间长短对绝热材料烧蚀规律的影响提供了可能性。

本发明采用的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法和装置，对两次烧蚀实验的间隔期可控，在绝热材料试件不受破坏条件下极大地缩短了两次烧蚀实验之间的间隔时间，实现间隔期可调节。在第一脉冲收敛段5和第二脉冲收敛段13与实验段8的联接方式设计上，采用螺纹连接的方式。传统烧蚀实验发动机该部位法兰连接需要至少12个直径12mm的高强螺栓，并且在安装过程中需要两人进行对位拧紧，在拆装过程中需要花费大量的时间，而螺纹连接的方式只需要一人使用力矩较大的扳手即可轻松拆装。采用螺纹连接的方式能节省大量时间并且更加安全。此外，第一模拟脉冲烧蚀实验后，实验段8的壳体温度较高，传统实验必须等实验段8的壳体冷却后才能进行下一步操作，本发明中将实验段的第三固定装置7安装在由轴向滑轨11和横向滑轨12组成的移动机构上，避免了等待实验段8的冷却过程，极大的缩短了脉冲间隔时间，提高安全性。同时控制两次实验之间的间隔时间，也便于研究间隔时间对于绝热材料烧蚀规律的影响。

Claims (10)

1.模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验方法，其特征在于，

先组装第一火箭发动机，第一火箭发动机包括贯通的第一燃烧段、第一收敛段、实验段和喷管，所述第一收敛段和所述实验段为可拆卸连接；

再组装部分发动机，部分发动机包括贯通的第二燃烧段和第二收敛段，所述第二收敛段上设有与所述实验段可拆卸连接的连接部；

其中，在第一燃烧段和第二燃烧段中分别放置有不同的脉冲推进剂，在实验段中放置绝热材料试件；

在第一火箭发动机内进行第一次烧蚀实验，实验完成后，将实验段与第一收敛段分离，再将所述实验段与第二收敛段组装成为第二火箭发动机，间隔一定时间后，在第二火箭发动机内进行第二次烧蚀实验。

2.如权利要求1所述的实验方法，其特征在于，将所述实验段安装在导轨上，通过移动导轨，从而牵引实验段靠近第一收敛段或第二收敛段。

3.模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，包括一个移动实验装置和两个固定实验装置：

所述移动实验装置，包括贯通设置的实验段和喷管；

每个所述固定实验装置，均包括贯通设置的燃烧段和收敛段；所述收敛段上均设置有用于与所述实验段可拆卸连接的连接部；

其中，所述移动实验装置用于可选择的与其中任意一个固定实验装置连接，并模拟组装为火箭发动机。

4.如权利要求3所述的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，所述移动实验装置具体包括：

一实验段(8)，为包含进气端和出气端的空腔结构，其内部用于容纳绝热材料试件(9)，所述进气端通过快速拆装结构，选择性的与任意一个固定实验装置的收敛段尾端密封连接；

一喷管(10)，其一端与所述实验段(8)的出气端连通，其另一端与大气连通。

5.如权利要求4所述的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，所述快速拆装结构包括：

安装段，为具有内螺纹的环状结构，位于每个所述收敛段的尾端并与收敛段一体设置；

压盖(6)，为具有外螺纹的环状结构，套装在所述实验段(8)的外壁；

其中，压盖(6)用于与安装段螺纹连接，从而实现实验段(8)与两个所述收敛段的连接或分离。

6.如权利要求3或4所述的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括一移动机构，所述移动机构包括：

轴向滑轨(11)，为两根导轨，每根导轨的延伸方向均与所述收敛段的开口方向相同；

横向滑轨(12)，架设于所述轴向滑轨(11)的两根导轨之间；

滑块，安装于所述横向滑轨(12)的轨道中，其上安装有实验段(8)；

其中，所述横向滑轨(12)，用于沿着轴向滑轨(11)往复移动，从而带动其上的实验段(8)远离或靠近所述收敛段；

所述滑块，用于沿着横向滑轨(12)往复移动，从而带动实验段(8)从一个收敛段移动到另一个收敛段。

7.如权利要求3或4所述的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，两个所述固定实验装置同向、间隔设置，其中：

每个燃烧段，均为包含一开口的空腔结构，其内部用于容纳脉冲推进剂；

每个收敛段，均为由首端到尾端的内径逐渐缩小的空腔结构，其首端与所述燃烧段连通，其尾端具有一开口。

8.如权利要求7所述的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，所述每个固定实验装置的燃烧段均包括：

一脉冲燃烧室，为两端设有开口的空腔结构，其中一个开口与所述收敛段连通；

一顶盖，密封设置于所述脉冲燃烧室的另一开口处。

9.如权利要求3或4所述的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，所述实验段(8)的进气端与所述收敛段的尾端通过密封圈(18)密封连接。

10.如权利要求3或4所述的模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置，其特征在于，所述地面模拟双脉冲固体火箭发动机烧蚀的实验装置还包括：

一平台，其上可拆卸连接有两个所述固定实验装置，并与所述轴向滑轨(11)可拆卸连接。