CN110333317A - 一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法，涉及固体发动机实验技术领域。将实验装置和高速摄相机安放在标定位置。实验装置采用自动送药机构的电磁铁与盛药漏斗配合，通过外界电压信号控制盛药漏斗内硼粒子呈离散状态均匀按预定时间下落，进药机构电磁铁收缩中的硼粒子从漏斗下落并穿过激光束，实现硼粒子在运动过程中和气氛接触充分的状态下进行激光点火，打开高速摄相机开始采集图像，保证硼粒子激光点火与高速相机图像采集过程的同步进行。实验装置结构简单、可靠，实验方法快速便捷，可实现硼粒子在运动中与气氛接触充分的状态下进行激光点火、燃烧，以及对整个实验过程进行图像信息的采集和记录。

Description

一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机实验技术领域，具体地说，涉及一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法。

背景技术

目前研究硼粒子点火燃烧性能所采用的点火方式主要有激波管点火、平焰燃烧器点火、本生炉点火、激光发生器点火等方式，其中激光点火因其有点火温度高、升温速率快、稳定性好、抗干扰能力强、安全性高等优点而被广泛使用，然而使用激光点火方式的硼点火燃烧实验装置普遍采用将硼粒子静态堆置再进行点火的方式，这种点火方式会导致硼粒子与周围气氛接触不均及多个粒子堆叠的问题。

发明专利CN104330519A中公开了“一种粒子气流悬浮激光点火实验装置”，该装置上安装有四个透明窗，其中两个为观察窗，两个为锗玻璃窗。两个观察窗可以实现对工作过程的观察和测试。激光点火器产生的高能激光通过两个锗玻璃点燃燃烧器内悬浮的粒子。实验过程中，可以充入单种气体或同时充入不同气体，测试不同气体环境下粒子的点火过程。该装置还可以清楚的得到粒子的点火过程，并通过高速摄影装置得到清晰的粒子点火燃烧图片。但是该装置存在明显的不足，会导致硼粒子与周围气氛接触不均及多个粒子的堆叠现象。

发明专利CN104181160A中展示了“一种基于固体推进剂激光点火实验的信号采集装置”，该装置由激光管、图像记录设备、光电采集系统和燃烧器组成。其中燃烧器包含一个观察窗口和一个锗玻璃窗口。激光经过锗玻璃后点燃固体推进剂药柱，光电采集系统采集燃烧过程的火焰信号，图像系统采集固体推进剂燃烧过程的图片。该装置可以方便对固体推进剂进行点火，并测量固体推进剂的点火延迟期，但是对于颗粒状物质，火焰亮度太弱，一个观察窗无法可靠观察到点火过程，而且由于二极管探头比粒子尺寸大，造成该装置无法准确测量点火延迟期。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法；该实验装置及实验方法采用自动送药机构，使硼粒子在分散状态下落经过激光束而被点燃，实验装置结构简单、可靠，能实现硼粒子在运动中与气氛接触充分的状态下进行激光点火、燃烧，以及对整个过程进行图像信息的采集和记录；实验方法快速便捷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:硼粒子激光点火燃烧实验装置，包括燃烧器顶板、有机玻璃、窗口压螺、燃烧器底板、密封电极、备用电极、锗玻璃、锗玻璃窗口压螺、密封圈、燃烧器和燃烧器进药机构，其特征在于所述燃烧器与燃烧器顶板、燃烧器底板通过螺栓紧固，燃烧器与燃烧器顶板、燃烧器底板间嵌入有密封圈，燃烧器侧壁上相对的部位设置有锗玻璃激光入射窗、有机玻璃观察窗，并分别嵌入锗玻璃、有机玻璃，旋入对应的锗玻璃窗口压螺、窗口压螺压紧；两组密封电极位于燃烧器顶板上，两组备用密封电极安装在燃烧器侧壁上位于锗玻璃激光入射窗的上部；所述密封电极和备用电极为结构相同的部件，密封电极的电极导电体与压线螺母、紧固螺母、垫片、电极绝缘环、电极密封套配合安装，两套电极分别深入到燃烧器内；燃烧器上安装有压强传感器和进排气阀门；

所述燃烧器进药机构包括第一电磁铁、第一支架、弹簧、弹簧套筒、转动挡板、第二电磁铁、第二支架、漏斗支架和盛药漏斗，第一支架、第二支架、漏斗支架分别固连在燃烧器顶板下面，第一支架与弹簧套筒固连，第一电磁铁通过螺钉固连在第一支架内侧，且与弹簧套筒轴线垂直安装，第二电磁铁与第二支架通过螺钉连接，盛药漏斗与漏斗支架连接，转动挡板与对应的横向支架通过销钉连接，可相对转动，弹簧放置在弹簧套筒内，弹簧一端抵住伸入弹簧套筒上部圆孔的第一电磁铁伸出端侧面，另一端抵住转动挡板侧面使其下端贴近盛药漏斗下口，弹簧处于压紧状态。

一种采用硼粒子激光点火燃烧实验装置进行实验的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.将燃烧器与燃烧器顶板、燃烧器底板间嵌入密封圈通并过螺栓紧固，在锗玻璃激光入射窗口和有机玻璃观察窗口内侧加装密封圈，并分别嵌入锗玻璃、有机玻璃及挡块，旋入对应的锗玻璃窗口压螺、窗口压螺，使用扳手及勾扳手压紧；在压强传感器接口放入聚四氟乙烯垫片，再旋入压强传感器用扳手拧紧，在进气接口、排气接口分别接入阀门，进气口阀门另一端连接高压氮气管接头，并接氮气减压阀，减压阀接高压气瓶；压强传感器通过专用接头与信号采集系统的板卡连接；

步骤2.关闭燃烧器各接口、排气阀门，打开减压阀和进气阀门，运行信号采集系统采集压强传感器信号，分次充入惰性气体，使燃烧器内压强逐步达到1MPa、3MPa和5MPa，关闭减压阀和进气阀门，保持15分钟，然后排气，通过压强传感器数据检查容器的气密性；

步骤3.将激光发生器、高速摄影仪安放在与燃烧器标定位置，在燃烧器进药机构中放入硼粒子，将固连有进药机构的燃烧器顶板与燃烧器固定后，连接燃烧器顶部密封电极与稳压电源电极，然后在燃烧器内充入对应种类和压强的氧化性气氛；

步骤4.打开高速摄影仪开始采集图像，打开激光发生器和稳压电源，在进药机构电磁铁收缩中，硼粒子从盛药漏斗口下落并穿过激光束，受热点火燃烧；

步骤5.关闭激光发生器和稳压电源，高速摄影仪停止采集图像，打开排气阀门，排除燃烧器内气体，打开燃烧器顶板，重新压紧弹簧并添加硼粒子；清理燃烧残渣，准备后续实验。

有益效果

本发明提出的一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法，涉及固体火箭发动机实验技术领域。将实验装置和高速摄影仪安放在标定位置。实验装置采用自动送药机构的电磁铁与盛药漏斗配合，通过外界电压信号控制盛药漏斗硼粒子呈离散状态均匀按预定时间下落，进药机构电磁铁收缩中的硼粒子从漏斗口下落并穿过激光束，实现硼粒子在运动过程中和气氛接触充分的状态下进行激光点火，打开高速摄影仪开始采集图像，保证硼粒子激光点火与高速相机图像采集过程的同步进行。实验装置结构简单、可靠，实验方法快速便捷，能实现硼粒子在运动中与气氛接触充分的状态下进行激光点火、燃烧，以及对整个实验过程进行图像信息的采集和记录。

本发明硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法，具有以下特点:

1.通过电磁铁与盛药漏斗的配合，实现了硼粒子均匀按预定时间掉落，保证硼粒子激光点火与高速摄影仪图像采集过程的同步进行。

2.通过电磁铁与盛药漏斗的配合，实现了硼粒子在运动过程中和气氛接触充分的状态下进行激光点火，避免静态堆置硼粒子点火方式致使硼粒子与气氛接触不均及多个粒子堆叠的问题。

3.通过机械结构与电磁铁的配合下，实现不同实验条件下均可通过外界电压信号控制硼粒子呈离散状态下落并穿过激光束而点火燃烧。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法作进一步详细说明。

图1(a)、图1(b)为硼粒子激光点火燃烧实验装置示意图。

图2为硼粒子激光点火燃烧实验装置的进药机构剖视图。

图3为密封电极结构剖视图。

图中:

1.燃烧器顶板 2.燃烧器 3.有机玻璃 4.窗口压螺 5.燃烧器底板 6.密封电极7.备用电极 8.锗玻璃 9.锗玻璃窗口压螺 10.密封圈 11.漏斗支架 12.第二支架 13.盛药漏斗 14.第二电磁铁 15.转动挡板 16.弹簧套筒 17.弹簧 18.第一支架 19.第一电磁铁 20.电极导电体 21.压线螺母 22.紧固螺母 23.垫片 24.电极绝缘环 25.电极密封套

具体实施方式

本实施例是一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法。

参阅图1(a)图1(b)～图3，本实施例一种硼粒子激光点火燃烧实验装置，包括燃烧器顶板1、有机玻璃3、窗口压螺4、燃烧器底板5、密封电极6、备用电极7、锗玻璃8、锗玻璃窗口压螺9、密封圈10、燃烧器2和燃烧器进药机构；其中，燃烧器2与燃烧器顶板1、燃烧器底板5通过螺栓紧固，燃烧器2与燃烧器顶板1、燃烧器底板5间嵌入有密封圈10,燃烧器2侧壁上相对的部位设有锗玻璃激光入射窗、有机玻璃观察窗，并分别嵌入锗玻璃8、有机玻璃3，旋入对应的锗玻璃窗口压螺9、窗口压螺4压紧；两组密封电极6位于燃烧器顶板1上，两组备用密封电极7安装在燃烧器2侧壁上，位于锗玻璃激光入射窗的上部；密封电极6和备用电极7为结构相同的部件，密封电极的电极导电体20与压线螺母21、紧固螺母22、垫片23、电极绝缘环24、电极密封套25配合安装；燃烧器2侧壁的锗玻璃激光入射窗与有机玻璃观察窗之间安装有压强传感器、进排气阀门。

本实施例中，燃烧器进药机构包括第一电磁铁19、第一支架18、弹簧17、弹簧套筒16、转动挡板15、第二电磁铁14、第二支架12、漏斗支架11和盛药漏斗13，第一支架18、第二支架12、漏斗支架11分别固连焊接在燃烧器顶板下面，第一支架18与弹簧套筒16固连，第一电磁铁19通过螺钉固连在第一支架18内侧，且与弹簧套筒16轴线垂直安装，第二电磁铁14与第二支架12通过螺钉连接，盛药漏斗与漏斗支架11连接，转动挡板与对应的横向支架通过销钉连接，两者可相对转动，弹簧17放置在弹簧套筒16内，弹簧一端抵住伸入弹簧套筒16上部圆孔的第一电磁铁19伸出端侧面，另一端抵住转动挡板侧面使其下端贴近盛药漏斗下口，弹簧处于压紧状态。

基于上述硼粒子激光点火燃烧实验装置，本实施例还提出一种硼粒子激光点火燃烧实验方法，具体包括以下步骤:

(1)将燃烧器分别与燃烧器顶板、燃烧器底板间嵌入密封圈并通过螺栓紧固，在锗玻璃激光入射窗和有机玻璃观察窗口内侧加入对应密封圈，并分别嵌入锗玻璃、有机玻璃及挡块，旋入对应的锗玻璃窗口压螺、窗口压螺，用扳手及勾扳手压紧。在压强传感器接口放入聚四氟乙烯垫片，再旋入压强传感器，用扳手拧紧，在进气接口、排气接口分别接入阀门，进气口阀门另一端连接高压氮气管接头，并接氮气减压阀，减压阀接高压气瓶；压强传感器通过专用接头与信号采集系统的板卡连接。

(2)关闭燃烧器各接口、排气阀门，打开减压阀和进气阀门，打开运行信号采集系统及电脑，采集压强传感器信号，分次充入惰性气体，使燃烧器内压强逐步达到1MPa、3MPa和5MPa，关闭减压阀和进气阀门，保持15分钟，然后排气，通过压强传感器数据检查容器的气密性。

(3)将燃烧器与激光发生器、高速摄影仪安放在标定位置，在燃烧器进药机构中放入适量硼粒子，将固连有进药机构的燃烧器顶板与燃烧器主体固定好，连接燃烧器顶部密封电极与稳压电源电极，然后，在燃烧器内充入对应种类和压强的氧化性气氛。

(4)打开高速摄影仪开始采集图像，打开激光发生器和稳压电源，进药机构电磁铁收缩中，硼粒子从盛药漏斗口掉落并穿过激光束，受热点火燃烧。

(5)关闭激光发生器和稳压电源，高速摄影仪停止采集图像，打开排气阀门，排除燃烧器内气体，打开燃烧器顶板，重新压紧弹簧并放入硼粒子，清理燃烧残渣，准备后续实验。

Claims (2)

1.一种硼粒子激光点火燃烧实验装置，包括燃烧器顶板、有机玻璃、窗口压螺、燃烧器底板、密封电极、备用电极、锗玻璃、锗玻璃窗口压螺、密封圈、燃烧器和燃烧器进药机构，其特征在于:所述燃烧器与燃烧器顶板、燃烧器底板通过螺栓紧固，燃烧器与燃烧器顶板、燃烧器底板间嵌入有密封圈，燃烧器侧壁上相对的部位设置有锗玻璃激光入射窗、有机玻璃观察窗，并分别嵌入锗玻璃、有机玻璃，旋入对应的锗玻璃窗口压螺、窗口压螺压紧；两组密封电极位于燃烧器顶板上，两组备用密封电极安装在燃烧器侧壁上位于锗玻璃激光入射窗的上部；所述密封电极和备用电极为结构相同的部件，密封电极的电极导电体与压线螺母、紧固螺母、垫片、电极绝缘环、电极密封套配合安装，两套电极分别深入到燃烧器内；燃烧器上安装有压强传感器和进排气阀门；

所述燃烧器进药机构包括第一电磁铁、第一支架、弹簧、弹簧套筒、转动挡板、第二电磁铁、第二支架、漏斗支架和盛药漏斗，第一支架、第二支架、漏斗支架分别固连在燃烧器顶板下面，第一支架与弹簧套筒固连，第一电磁铁通过螺钉固连在第一支架内侧，且与弹簧套筒轴线垂直安装，第二电磁铁与第二支架通过螺钉连接，盛药漏斗与漏斗支架连接，转动挡板与对应的横向支架通过销钉连接，可相对转动，弹簧放置在弹簧套筒内，弹簧一端抵住伸入弹簧套筒上部圆孔的第一电磁铁伸出端侧面，另一端抵住转动挡板侧面使其下端贴近盛药漏斗下口，弹簧处于压紧状态。

2.一种如权利要求1所述的硼粒子激光点火燃烧实验装置进行实验的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.将燃烧器与燃烧器顶板、燃烧器底板间嵌入密封圈通并过螺栓紧固，在锗玻璃激光入射窗口和有机玻璃观察窗口内侧加装密封圈，并分别嵌入锗玻璃、有机玻璃及挡块，旋入对应的锗玻璃窗口压螺、窗口压螺，使用扳手及勾扳手压紧；在压强传感器接口放入聚四氟乙烯垫片，再旋入压强传感器用扳手拧紧，在进气接口、排气接口分别接入阀门，进气口阀门另一端连接高压氮气管接头，并接氮气减压阀，减压阀接高压气瓶；压强传感器通过专用接头与信号采集系统的板卡连接；

步骤2.关闭燃烧器各接口、排气阀门，打开减压阀和进气阀门，运行信号采集系统采集压强传感器信号，分次充入惰性气体，使燃烧器内压强逐步达到1MPa、3MPa和5MPa，关闭减压阀和进气阀门，保持15分钟，然后排气，通过压强传感器数据检查容器的气密性；

步骤3.将激光发生器、高速摄影仪安放在与燃烧器标定位置，在燃烧器进药机构中放入硼粒子，将固连有进药机构的燃烧器顶板与燃烧器固定后，连接燃烧器顶部密封电极与稳压电源电极，然后在燃烧器内充入对应种类和压强的氧化性气氛；

步骤4.打开高速摄影仪开始采集图像，打开激光发生器和稳压电源，在进药机构电磁铁收缩中，硼粒子从盛药漏斗口下落并穿过激光束，受热点火燃烧；

步骤5.关闭激光发生器和稳压电源，高速摄影仪停止采集图像，打开排气阀门，排除燃烧器内气体，打开燃烧器顶板，重新压紧弹簧并添加硼粒子；清理燃烧残渣，准备后续实验。