CN110145410B - 一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机 - Google Patents

一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机，具体涉及的是端燃装药的固体火箭发动机的过载实验，属于固体火箭发动机过载实验领域。装置包括：壳体，端盖，密封圈，装药垫块，端燃装药，点火药盒，假药柱，喷管，测压孔和安全阀。本发明发动机壳体采用对称结构，两端都可以进行装药，通过改变过载加速度、改变发动机的安装角度以及改变端燃装药和假药柱的安装位置，可实现端燃装药不同过载加速度、不同方向的过载实验；同时，一次安装可以做两个角度的过载实验，可减少实验时间，提高实验效率。

Description

一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机
技术领域
本发明涉及一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机，具体涉及的是端燃装药的固体火箭发动机的过载实验，属于固体火箭发动机过载实验领域。
背景技术
空战中要求空空导弹具有良好的机动性能。导弹的机动性能越好，要求弹体承受机动过载的能力越强。发动机作为弹体的重要组成部分之一，过载对发动机装药的燃速和燃烧室内的压强有较大影响。为验证其承受过载的能力，除进行理论分析计算，还应采用相应的地面过载实验设备进行过载实验，以确保导弹机动飞行时的安全可靠性。
固体火箭发动机过载实验是将发动机固定在旋转离心机的悬臂上，通过传动系统带动悬臂旋转，利用离心力原理将离心载荷作用到发动机上，模拟发动机设计点处的横向过载和轴向过载。发动机在悬臂上的安装方式有多种，可以水平方向安装、垂直方向安装以及倾斜一定角度安装，不同的放置方式，会使发动机承受不同方向的载荷。而用于过载实验的发动机根据装药类型的不同会有多种。端燃装药具有恒面燃烧且工作时间长的特性，可用于导弹的续航发动机。往往也需要进行过载实验。现有的端燃装药发动机燃烧室和喷管在一条轴线上，端燃装药固体火箭发动机在进行过载实验时将发动机固定在过载实验台上，为防止发动机的高温尾焰烧毁过载实验台，将喷管出口方向朝向远离过载实验台中心轴线的方向进行喷火，这就导致发动机在进行不同方向的过载实验时，某些角度就会受到限制。同时每次更换一个角度，都需要将发动机进行重新安装，导致发动机实验耗时较多。
另外端燃装药发动机，因为只有一个端面燃烧，所以将点火药盒放于靠近喷管的一端进行点火，因为点火具产生的高温燃气会有很大部分从喷管流出，所以端然装药点火往往存在点火困难的问题；同时为保证发动机壳体可以多次使用，端燃装药采用自由装填式装药。而当端燃装药在悬臂上处于水平或倾斜放置时，因受到离心力的作用，点火具会向远离端燃装药燃面的方向移动，更加不容易点燃装药，甚至导致点火失败；发动机工作时装药受到离心力的作用会在壳体中移动，如果载荷过大，会使装药受损，导致实验出现爆炸的危险。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机。该发动机通过改变固定在过载实验台上的角度以及改变假药柱和端燃装药的位置可实现不同方向的过载实验。因为可以改变装药的安放位置，所以一次安装可以做两个角度的过载实验，可减少实验时间，提高实验效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机，包括：壳体1，端盖2，装药垫块4，端燃装药5，点火药盒6，假药柱7，喷管基座8，喷喉9，喷管盖子10，测压孔11，安全阀端盖12，安全阀基座13和安全阀塞子14。
壳体1为中空圆柱体，点火药盒6固定在壳体1中心位置，点火药盒6两侧分别放置端燃装药5和假药柱7；壳体1两端分别通过端盖2密封；所述端燃装药5与端盖2之间放置有装药垫块4；在点火药盒6对应的壳体1上开设三个通孔，其中测压孔11实现测量燃烧室压力的作用；另外两个通孔分别固定安装有与喷管基座8和安全阀基座13；喷管基座8，喷喉9，喷管盖子10组成发动机的喷管，用于排气；安全阀端盖12，安全阀基座13和安全阀塞子14共同组成发动机的安全装置，当燃烧室压力过大时，安全阀塞子破裂，燃气从安全阀位置排出，防止发动机发生爆炸，壳体破裂；
端燃装药5和假药柱7的位置可以互换；用于构建不同方向的过载。发动机壳体采用对称结构，两端都可以进行装药，通过改变发动机的安装角度以及改变端燃装药和假药柱的安装位置，可实现端燃装药不同方向的载荷实验；
假药柱7用于配重；
还包括密封圈3，密封处通过密封圈3实现发动机的密封；
发动机壳体1采用对称结构，两端都可以进行装药，通过改变发动机的安装方向(角度)以及改变端燃装药和假药柱的安放位置，可实现端燃装药不同方向的过载实验；
将端燃装药固体火箭发动机固定安装在载实验台上，与试验台成θ角；当端燃装药位于远离中心轴线的位置时，端燃装药的燃烧方向和过载力方向成θ角；当端燃装药位于靠近中心轴线的位置时，端燃装药的燃烧方向和过载力方向成π-θ角；
有益效果
1、本发明壳体采用对称结构两端都可装药设计，通过改变发动机的安装角度以及改变端燃装药和假药柱的安放位置，可实现端燃装药不同方向的载荷实验，一个安装角度可实现两个不同过载方向的实验，节约实验时间。
2、本发明将点火药盒放于端燃装药和假药柱之间，旋转过程中能保持点火药盒和端燃装药紧密贴合，便于发动机采用较少的点火药量成功点火。
3、发动机喷管采用可拆卸式设计，整个喷管由基座、喷喉和喷管盖子组成。多次实验以后，若喷喉烧蚀严重，可方便更换喷喉。与传统发动机不同，将喷管、安全阀、测压孔设计在壳体的中部，实验过程中将喷管向上进行喷气。
附图说明
图1为本端燃装药发动机示意图；图(a)为主视图剖面视图；图(b)为沿发动机对称轴剖面图；
图2为实施方式中，端燃装药发动机倾斜一定角度θ放置、端燃装药位于远离过载实验台中心轴线处与过载实验台的装配示意图，此时端燃装药的燃烧方向和过载力方向不在一条直线上，而是成θ角。其中，图(a)为总体装配示意图；图(b)为局部放大示意图；
图3为实施方式中，端燃装药发动机倾斜一定角度θ放置、端燃装药位于靠近过载实验台中心轴线处与过载实验台的装配简图,此时端燃装药的燃烧方向和过载力方向不在一条直线上，而是成π-θ角。图(a)为总体装配示意图；图(b)为局部放大示意图。
其中，1—壳体，2—端盖，3—密封圈，4—装药垫块，5—端燃装药，6—点火药盒，7—假药柱，8—喷管基座，9—喷喉，10—喷管盖子，11—测压孔，12—安全阀端盖，13—安全阀基座，14—安全阀塞子，15—发动机固定支架，16—过载实验台。
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。
端燃装药固体火箭发动机的装配示意图如图1所示，包括：壳体1，端盖2，密封圈3，装药垫块4，端燃装药5，点火药盒6，假药柱7，喷管基座8，喷喉9，喷管盖子10，测压孔11，安全阀端盖12，安全阀基座13，安全阀塞子14。
装配顺序是：喷管基座8、测压孔11、安全阀基座13通过焊接和壳体1连接在一起；将安全阀塞子14，凸台朝上，放于安全阀基座13里；安全阀端盖12通过螺纹连接和安全阀基座13连接在一起，通过安全阀塞子14起到一个限位的作用，同时将安全阀塞子14压紧；将喷喉9放入喷管基座中，喷管盖子10通过螺纹连接和喷管基座8连接在一起，起到一个固定和防止喷喉吹出的作用；将点火药盒6放于壳体1的中部；从壳体的1的一端先装入端燃装药5，将装药的端面朝向点火药盒6，随后装入装药垫块4，最后将端盖2和壳体通过螺纹连接连接在一起；端盖2和壳体1之间通过密封圈3起到一个密封的作用；从壳体的另外一端装入假药柱7和端盖2，同样通过密封圈3起到一个密封的作用。
工作过程：
(a)将端燃装药固体火箭发动机按照装配顺序装配完成；
(b)将装配好的发动机按照预先设计好的安装角度θ和装药安放位置固定在过载实验台上，测量发动机中心到过载实验台中心轴线的距离L，将压力传感器安装在测压孔上，同时和数据采集系统相连,将点火线路和发动机相连。
(c)根据过载加速度计算过载实验台的转速，然后调整过载实验台的转速；计算公式如下所示：
Figure BDA0002087512800000041
Figure BDA0002087512800000042
整理得：
Figure BDA0002087512800000043
式中，a为过载加速度，m2/s；L为发动机中心到过载实验台中心轴线的距离；ω为角速度，rad/s；n为转速，rad/min。
(d)开启过载实验台，开始旋转，待旋转平稳后，开启数据采集系统，随后进行发动机点火，测量采集燃烧室内部的压力，得到压力时间曲线。
(e)关闭数据采集系统和过载实验台，停止旋转后将实验发动机拆除，更换装药和假药柱的位置，重复步骤(d)进行同一过载加速度下的π-θ角度的过载实验。
(f)改变过载加速度、安装角度重复以上步骤进行不同过载加速度、不同过载方向的过载实验。
实验结束以后，采用四阶龙格-库塔法求解零维内弹道方程组(4)进行编程计算，通过调整装药燃速r＝f(θ)或r＝f(a)的关系式，得到不同过载加速度、不同过载方向的内弹道计算曲线，将内弹道曲线和实验曲线进行对比，当两者较为一致时，所得的公式即为装药燃速r和过载角度θ或者过载加速度a之间的关系式。
Figure BDA0002087512800000051
式中，ρ为装药燃气密度；Vc为燃烧室自由容积；ρg为装药密度；Ab为装药燃面；r为装药燃速；At为喷管喉部面积；cth *为装药特征速度；p为燃烧室内部压力；k为装药燃气比热比；R为燃气气体常数；Tp为装药定压燃烧温度；T为燃气温度；θ为过载角度；a为过载加速度。
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 (3)

1.一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机，其特征在于：包括：壳体(1)、端盖(2)、装药垫块(4)、端燃装药(5)、点火药盒(6)、假药柱(7)、喷管基座(8)、喷喉(9)、喷管盖子(10)、测压孔(11)、安全阀端盖(12)、安全阀基座(13)和安全阀塞子(14)；
壳体(1)为中空圆柱体，点火药盒(6)固定在壳体(1)中心位置，点火药盒(6)两侧分别放置端燃装药(5)和假药柱(7)；壳体(1)两端分别通过端盖(2)密封；所述端燃装药(5)与端盖(2)之间放置有装药垫块(4)；在点火药盒(6)对应的壳体(1)上开设三个通孔，其中测压孔(11)实现测量燃烧室压力的作用；另外两个通孔分别固定安装有喷管基座(8)和安全阀基座(13)；喷管基座(8)、喷喉(9)和喷管盖子(10)组成发动机的喷管，用于排气；安全阀端盖(12)、安全阀基座(13)和安全阀塞子(14)共同组成发动机的安全装置，当燃烧室压力过大时，安全阀塞子破裂，燃气从安全阀位置排出，防止发动机发生爆炸，壳体破裂。
2.如权利要求1所述的一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机，其特征在于：所述端燃装药(5)和假药柱(7)的位置能够互换；发动机壳体采用对称结构，两端都能够进行装药，将端燃装药固体火箭发动机固定安装在实验台上，与实验台成θ角；当端燃装药位于远离中心轴线的位置时，端燃装药的燃烧方向和过载力方向成θ角；当端燃装药位于靠近中心轴线的位置时，端燃装药的燃烧方向和过载力方向成π-θ角；通过改变过载加速度、改变发动机的安装角度以及改变端燃装药(5)和假药柱(7)的安装位置，能够实现端燃装药不同过载加速度、不同过载方向的过载实验。
3.如权利要求1所述的一种用于过载实验的端燃装药固体火箭发动机，其特征在于：发动机喷管采用可拆卸式设计，整个喷管由基座(8)、喷喉(9)和喷管盖子(10)组成；多次实验以后，若喷喉(9)烧蚀严重，可方便更换喷喉；与传统发动机不同，将喷管、安全阀、测压孔设计在壳体的中部，实验过程中将喷管向上进行喷气。
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