CN110388284A - 多段式火箭发动机实验装置及其物质收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多段式火箭发动机实验装置及其物质收集方法，多段式火箭发动机实验装置，包括：收敛单元，至少为二个，相互串联，设于火箭发动机的燃烧室和喷管之间，及，收集装置，至少为二个，并可拆卸设置在不同的收敛单元上，且与收敛单元连通，以收集收敛单元内的待测物质，待测物质为火箭发动机在燃烧过程中产生的固态、液态、和/或气态物质。解决了现有技术中所收集的火箭发动机内的物质，无法用于研究发动机燃烧过程中的物质变化规律的问题。

Description

多段式火箭发动机实验装置及其物质收集方法

【技术领域】

本发明属于航天科学技术领域，具体涉及一种多段式火箭发动机实验装置及其物质收集方法。

【背景技术】

随着火箭发动机的发展，推力和比冲要求不断增加，进而推进剂的要求和配方也在不断更新，以追求达到更高的燃烧效率。现在的火箭发动机推进剂大多数选择为复合推进剂，其中添加有铝颗粒增加其热值。这就导致，在发动机工作过程中，产生了不同粒径的凝相颗粒。这对发动机的绝热和工作性能都用不同程度的影响。因此，为了研究凝相粒子对发动机性能和工作过程的印象，需要对其在发动机内部的成分有足够具体的了解。

发动机内铝颗粒燃烧和流动是局部流动状态以及时间历程高度相关的，流动过程中颗粒会发生碰撞、聚合、破碎等复杂物理化学现象，由于高温高压环境不能实时进行测量。所以，对粒子在发动机中燃烧变化的规律很难研究清楚。

现有的粒子收集实验装置能实现的是收集整个发动机工作结束后，燃气中粒子最终状态，而不能收集到粒子在发动机工作过程中的颗粒状态，对发动机工作过程中粒子变化规律还是比较模糊或者说不清楚的。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种多段式火箭发动机实验装置及其物质收集方法，以解决现有技术中所收集的火箭发动机内的物质，无法用于研究发动机燃烧过程中的物质变化规律的问题。

本发明采用以下技术方案：多段式火箭发动机实验装置，包括：

收敛单元，至少为二个，相互串联，设于火箭发动机的燃烧室和喷管之间，包括:

一收缩段，为直径尺寸逐渐收缩的腔体；

一平滑段，为直径尺寸保持不变的腔体，且与收缩段连通；

及，

收集装置，至少为二个，并可拆卸设置在不同的收敛单元上，且与收敛单元连通，以收集收敛单元内的待测物质，待测物质为火箭发动机在燃烧过程中产生的固态、液态、和/或气态物质。

进一步的，每个收集装置，包括：

收集通道，设置于平滑段上，以将平滑段与外界连通；

收集罐，可拆卸连接至收集通道，并可选择性的开启或关闭与所在收集通道的连通。

进一步的，收集罐7，包括：

一容器，用于收集待测物质；

一开口，位于容器的顶端，为待测物的入口；

一排出口，位于容器的尾端，为可选择性的向外排放待测物与否的出口。

进一步的，收集罐，还包括：

一通气口，位于容器的顶端，用于通过其排气以达到容器的真空状态。

进一步的，收集罐，还包括：

一压力测试口，位于容器的顶端，用于连接压力传感器以测量收集罐中的气压信息。

本发明采用的第二种技术方案为多段式火箭发动机实验装置的物质收集方法，基于权利要求1-5中任意一种多段式火箭发动机实验装置，其物质收集方法具体为：

燃烧火箭发动机内燃料；

在燃烧过程中，将至少两个收集装置与火箭发动机内部连通，以收集火箭发动机内位于不同位置处的待测物质。

进一步的，使至少两个收集罐为真空状态，以通过负压收集待测物质。

进一步的，向收集装置的收集罐中加液体；

开启收集罐的排出口，将收集到的待测物质中的固态物质随液体一起排出。

本发明的有益效果是：通过将火箭发动机的收敛段设置为多个收敛单元，再借助收集装置，可以将多个收敛单元内的物质进行收集，为研究发动机燃烧过程中的物质变化规律提供基础。

【附图说明】

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明收集罐的结构示意图。

其中：1.收敛单元，2.燃烧室，3.喷管，4.收缩段，5.平滑段，6.收集通道，7. 收集罐，8.容器，9.开口，10.排出口，11.通气口，12.压力测试口。

【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。

一、本发明提供了一种多段式火箭发动机实验装置，包括：

二个以上的收敛单元1，收敛单元之间相互串联，设于火箭发动机的燃烧室 2和喷管3之间。每个收敛单元1都包括相互连通的收缩段4和平滑段5，收缩段4为直径尺寸逐渐收缩的腔体，平滑段5为直径尺寸保持不变的腔体。收敛单元1中，可以按照收缩段4后接平滑段5的顺序，或者按照平滑段5后接收缩段 4的顺序来设置。

还包括二个以上的收集装置，并可拆卸的设置在不同的收敛单元1上，且与收敛单元1连通，以收集收敛单元1内的待测物质，待测物质为火箭发动机在燃烧过程中产生的固态、液态、和/或气态物质。其中，收集装置可以设置于不同的平滑段5上，也可以设置于不同的收缩段4上。

实际实验过程中，收集的固态物质可以为粒子，液态物质可以为铝液滴，气态物质可以为二氧化碳等气相产物。火箭发动机可以为固体火箭发动机、液体火箭发动机、固液混合发动机、或粉末发动机等。

对于固体火箭发动机，为了研究其在收敛段燃烧过程中不同阶段的粒子成分，如图1所示，可以将现有固体火箭发动机的一个收敛段按指定比例划分为多个收敛单元1。可以根据研究的需要，在某些或者每个收敛单元1上设置收集装置。现有技术中只能采集收敛段燃烧完成后的粒子，但是通过本发明设置的多个收敛单元1，可以对原始收敛段在不同位置处的粒子进行收集，从而可以为研究收敛段在燃烧过程中粒子的变化情况提供基础。

通过改变收敛单元1的个数，或者收敛比，就可以得到不同实验目的下，每个收敛单元1内的物质成分。进而可以对发动机工作过程中，收敛段各部分的物质成分、物质尺寸分布变化等有更加直观和详细的了解。

其中，每个收集装置均包括收集通道6，收集通道6设置于平滑段5上，以将平滑段5与外界连通，也可以设置在收缩段4上。每个收集装置还包括收集罐 7，收集罐7可拆卸连接至收集通道6上，收集罐7与收集通道6之间常态是闭合的，发明人可以在需要收集待测物质时，将收集通道6与收集罐7连通。收集罐7与收集通道6之间设有阀门，通常该阀门为电磁阀，控制电磁阀以制收集罐 7与收集通道6之间的导通。

收集罐7包括用于收集待测物质容器8。当收集物质为固态物质时，需要向收集罐7中加液体，比如水或冰，开启收集罐7的排出口10后，可将收集到的待测物质中的固态物质随液体一起排出。

收集罐7还包括开口9和排出口10。开口9位于容器8的顶端，开口9为待测物的入口；排出口10位于容器8的尾端，可根据发明人的需要在适当的时候向外排出待测物。

收集罐7还可以包括通气口11，位于容器8的顶端，用于通过其排气以达到收集罐7的真空状态，使收集罐7通过负压状态收集火箭发动机内部的待测物质。

收集罐7还可以包括压力测试口12，位于容器8的顶端，用于连接压力传感器以测量收集罐7中的气压信息。主要用于：1、实验前要将收集罐7抽真空，可通过罐内气压看是否达到真空。2、在实验过程中，可通过压力数据观察罐内压力，来确认是否收集了粒子，并且保证管内压强处于安全范围内。

二、本发明还提供了一种物质收集方法，首先燃烧火箭发动机内燃料；在燃烧过程中，将至少两个收集装置与火箭发动机内部连通，从而收集火箭发动机内位于不同位置处的待测物质。其中，可以使至少两个收集罐7为真空状态，以通过负压收集待测物质。

当收集的对象为固态物质时，需要先向收集罐7中加液体，比如水或冰；再连通收集罐7与火箭发动机，收集火箭发动机内的待测物质，打开收集罐7的排出口10，将收集到的待测物质中的固态物质随收集罐7内的液体一起排出。

如图1所示，多段式火箭发动机实验装置包括三部分，发动机燃烧室2、改进型收敛段和发动机喷管3，收敛单元设有三个，第一个收敛单元的收缩段和燃烧室等径连通，第一个收敛单元的平滑段和第二个收敛单元的收缩段等径连通，第二个收敛单元的平滑段和第三个收敛单元的收缩段连通，以此类推，当有多个收敛单元时也按照同样的规则设置。

本发明多段式火箭发动机实验装置的物质收集方法为：将推进剂放入发动机燃烧室2内，通过点火装置点燃推进剂，产生推进剂燃气，推进剂燃气流经改进型收敛段，在改进型收敛段上设有收集通道6，收集通道6与收集罐7通过电磁阀连接，通过控制电磁阀的开闭来控制是否或者何时启动收集罐7的收集功能，从而实现收集火箭发动机不同部位待测物质的目的，该待测物质可以为燃气粒子。打开电磁阀，将收集通道6与收集罐7导通，待测物质就会通过收集通道6 进入收集罐7中；关闭电磁阀，待测物质就会继续向着喷管3位置流动，最后，多余的燃气会通过发动机喷管3排出。

如图2所示，收集罐7包括一容器8，其上设置有开口9、通气口11、压力测试口12，排出口10。实验开始前，先将排出口10关闭，从收集罐7开口9处向容器8内注入一定量的液体，比如水，水位高度不能超过通气口11和压力测试口12所在位置的高度；然后将收集罐7开口9上的电磁阀通过转接口螺纹连接并使电磁阀保持关闭状态。

在开口9上安装一转接口，转接口螺纹连接一电磁阀，电磁阀和收集通道6 螺纹连接。此时除了通气口11这个收集罐7其余口就处于封闭状态。接着通过通气口11，将整个收集罐7中的气体排出，使收集罐7保持真空状态，可以使燃气更加方便的进入收集罐7中。等试验开始时，根据是否收集该段沉积物的需要，通过控制电磁阀的开闭来实现收集功能。试验结束后，先打开电磁阀使收集罐7 内气压与外界一致，接着打开排出口10，将收集到的液体进行处理后就可得到试验所需要的待测物质。

以固体火箭发动机为例，由于固体火箭发动机内燃气粒子在发动机工作过程中，受到碰撞、破碎、凝聚等影响，颗粒的粒径尺寸是不断变化的，并且在收敛段变化最为剧烈；所以为了了解到颗粒粒径变化规律，通过本发明的多段式火箭发动机实验装置可以根据不同需求，收集到不同位置的凝相粒子；通过对粒子的分析，就可以得到收敛段的不同阶段上的粒径主要分布情况，进而可以得出粒子的变化规律；使得粒子对发动机工作性能和绝热层烧蚀影响可以得到进一步的了解。

Claims (8)

1.多段式火箭发动机实验装置，其特征在于，包括：

收敛单元(1)，至少为二个，相互串联，设于火箭发动机的燃烧室(2)和喷管(3)之间，包括:

一收缩段(4)，为直径尺寸逐渐收缩的腔体；

一平滑段(5)，为直径尺寸保持不变的腔体，且与所述收缩段(4)连通；

及，

收集装置，至少为二个，并可拆卸设置在不同的所述收敛单元(1)上，且与所述收敛单元(1)连通，以收集所述收敛单元(1)内的待测物质，所述待测物质为火箭发动机在燃烧过程中产生的固态、液态、和/或气态物质。

2.如权利要求1所述的多段式火箭发动机实验装置，其特征在于，每个所述收集装置，包括：

收集通道(6)，设置于所述平滑段(5)上，以将所述平滑段(5)与外界连通；

收集罐(7)，可拆卸连接至所述收集通道(6)，并可选择性的开启或关闭与所在收集通道(6)的连通。

3.如权利要求2所述的多段式火箭发动机实验装置，其特征在于，所述收集罐7，包括：

一容器(8)，用于收集所述待测物质；

一开口(9)，位于所述容器(8)的顶端，为所述待测物的入口；

一排出口(10)，位于所述容器(8)的尾端，为可选择性的向外排放所述待测物与否的出口。

4.如权利要求3所述的多段式火箭发动机实验装置，其特征在于，所述收集罐(7)，还包括：

一通气口(11)，位于所述容器(8)的顶端，用于通过其排气以达到容器(8)的真空状态。

5.如权利要求3或4所述的多段式火箭发动机实验装置，其特征在于，所述收集罐(7)，还包括：

一压力测试口(12)，位于所述容器(8)的顶端，用于连接压力传感器以测量所述收集罐(7)中的气压信息。

6.多段式火箭发动机实验装置的物质收集方法，其特征在于，基于所述权利要求1-5中任意一种多段式火箭发动机实验装置，其物质收集方法具体为：

燃烧火箭发动机内燃料；

在燃烧过程中，将至少两个收集装置与火箭发动机内部连通，以收集火箭发动机内位于不同位置处的待测物质。

7.如权利要求6所述的物质收集方法，其特征在于，

使至少两个收集罐(7)为真空状态，以通过负压收集待测物质。

8.如权利要求6所述的物质收集方法，其特征在于，

向收集装置的收集罐(7)中加液体；

开启收集罐(7)的排出口(10)，将收集到的待测物质中的固态物质随所述液体一起排出。