CN110455861A - 一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法 - Google Patents

一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，该方法包括：在长方体或圆柱体推进剂药条的轴向两端分别沿径向打孔，测量两孔间距；在推进剂药条轴向一侧打孔，并穿入点火丝；将两支微型铂铑热电偶分别穿入孔内；将推进剂药条放到恒压弹中进行点火，当固体推进剂燃烧到第一个热电偶的测温头附近时，第一个热电偶出现最大电压的时间记为t1，随着燃烧的进行到第二个热电偶的测温头附近时，第二个热电偶出现最大电压的时间时间记为t2，计算出推进剂的燃速，得到推进剂药条的两个燃烧波曲线。本发明采用丝径较小的微型热电偶，具有较短的响应时间，微型热电偶代替传统靶线的方法，有效提高靶线的计时精度，实现固体推进剂燃速和燃烧波的同步测试。

Description

一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法
技术领域
本发明涉及一种固体推进剂燃烧性能测试方法，适用于低燃温固体推进剂。
背景技术
燃速和燃烧温度是固体推进剂的核心技术参数之一，也是火箭发动机内弹道设计中的一项重要性能参数，在推进剂配方调节及批量生产时往往需要得知推进剂的燃速和燃烧温度。另外，为了深入研究推进剂的燃烧机理，常常需要对推进剂的燃烧波进行测试。在一次测试过程中，能够同步得到推进剂燃速和燃烧波测试结果，提高了试验效率，具有较好的经济效益。
靶线法由于具有实验成本低、操作方便、结果准确度高、能方便获得温度敏感系数等优点，成为目前国内最广泛使用的固体推进剂燃速测试方法。靶线法的计时原理是沿着推进剂药条燃烧方向分别穿入两根低熔点金属丝，这些低熔点金属丝称为靶线。实验前准确测量出两靶线间的距离，实验时随着推进剂药条的燃烧两根靶线会相继熔断，只要测得两靶线相继烧断的时间便可计算出推进剂的燃速。在燃速测试过程中需要穿过推进剂药条的靶线迅速烧断，固体推进剂的燃烧温度一般在2500℃以上，而燃速测试用的靶线多采用铅锑合金丝，熔点为300℃左右，因此在推进剂药条的燃烧过程中靶线很容易烧断。但随着航天技术的发展进步，出现了一些低燃烧温度推进剂，如富燃料推进剂和一些双基推进剂，其燃烧温度可达1000℃以下，使得燃速测试过程中靶线不易烧断，从而导致计时不准的现象发生。
发明内容
为了解决低燃烧温度情况下靶线法燃速测试计时不准确的问题，本发明提出了使用微型热电偶来代替传统靶线的方法，能够有效提高靶线的计时精度，而且能够实现固体推进剂燃速和燃烧波的同步测试。
微型热电偶的丝径较小，具有较短的响应时间，因此若能在燃速测试过程中以微型热电偶代替靶线，则可在提高靶线计时精度的同时，实现固体推进剂燃速和燃烧波的同步测试。所述燃烧波通过推进剂中埋置微型热电偶的方法获得，通过燃烧波曲线获得推进剂的燃烧温度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，步骤如下：
步骤1：将固体推进剂切成长方体或圆柱体药条，在推进剂药条的轴向两端分别沿径向打热电偶孔，测量两孔间距l；
步骤2：在推进剂药条轴向一端打孔，并穿入点火丝，所述点火丝穿入的孔的位置应与同一端的热电偶孔距离大于20mm，且比在同一端的热电偶离端面更近；
步骤3：将两支微型电偶分别穿入热电偶孔内；
步骤4：将步骤3中装配好的推进剂药条放到恒压弹中进行点火，当固体推进剂燃烧到第一个热电偶的测温头附近时，随着温度的上升热电偶丝间的电压值升高，第一个热电偶出现最大电压的时间记为t1，当燃烧火焰开始离开第一个热电偶的测温头时，热电偶丝间的电压值下降，随着燃烧的进行到第二个热电偶的测温头附近时，随着温度的上升热电偶丝间的电压值升高，第二个热电偶出现最大电压的时间时间记为t2，则推进剂的燃速r为
式中：r-推进剂燃速，mm/s；t1-热电偶1达到最高温度的时间，s；t2-热电偶2达到最高温度的时间；
待推进剂药条燃烧完全后，绘制每个热电偶两端的电压随时间的变化曲线，并换算成温度-时间曲线，从而得到推进剂药条的两个燃烧波曲线。
进一步的，所述步骤1还包括使用8％的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液对药条的表面进行包覆。
进一步的，所述微型热电偶为微型铂铑热热电偶。
进一步的，所述微型铂铑热电偶采用如下方法制成：将两根正负极铂铑热电偶丝绕成麻花状，焊接形成铂铑热热电偶的球形测温点，测温点的直径不大于50μm，麻花状的热电偶丝的长度不大于100μm。
进一步的，两支微型铂铑热电偶分别穿入孔内时，测温头在药条径向的中点。
本发明的优点：
1、本发明使用微型铂铑热电偶作为靶线，解决了低燃烧温度情况下低熔点金属丝作为靶线不易熔断的问题，提高了燃速测试过程中的靶线计时精度，从而使燃速测试结果更加精确；
2、由于微型铂铑热电偶的丝径可以非常小，使得热电偶的响应时间较短，测出的燃烧波结构更为精细；实现了推进剂燃速和燃烧波的同步测试，具有较好的经济效益。
附图说明
图1是本发明的实施例主视图的轴向剖视图，图1中，1-点火丝穿入的孔；2-点火丝；3-微型热电偶1；4-热电偶安装孔；5-推进剂药条；6-热电偶的测温头；7-热电偶安装孔；8-微型热电偶2
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明具体实施如下：
步骤1：将固体推进剂切成长方体或圆柱体药条5，并使用8％的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液对药条的表面进行包覆。包覆共进行3次，每两次包覆的间隔时间为30min，包覆3次后将药条放置12小时完成包覆。
使用微型钻孔机对包覆好的推进剂药条进行打孔，钻头尺寸应小于0.5mm。两个靶线孔的位置为轴向两端并垂直于轴向方向。使用游标卡尺对两孔间的距离进行测量，记为l，使用钻头尺寸为1mm微型钻孔机在推进剂药条轴向一侧打孔1，并穿入直径为1mm的镍铬点火丝2，孔的位置应与同一端的热电偶安装孔距离大于20mm且比在同一端的热电偶离端面更近。
步骤2：分别取正负极铂铑热电偶丝，并将两根热电偶丝绕成麻花状。使用焊机对热电偶丝进行焊接，形成热电偶的球形测温点，测温点的直径不大于50μm，麻花状的热电偶丝的长度不大于100μm。
步骤3：将焊接好的微型热电偶3、8依次穿入到推进剂药条中的热电偶安装孔4、7内，在穿入过程中应保证测温头6在药条径向的中点。
步骤4：将装配好的药条放到恒压弹中进行点火，测试药条燃烧过程中每个热电偶两端的电压随时间变化情况。待药条燃烧完全后，通过热电偶分度表中的电压与温度关系将电压-时间曲线换算成温度-时间曲线，从而得到推进剂的两个燃烧波曲线。两个燃烧波曲线中的最高温度便是推进剂的燃烧温度，记为T1和T2。记录两个燃烧波曲线达到最高温度的时间t1和t2，则推进剂的燃速r为
式中：r-推进剂燃速，mm/s；t1-热电偶1达到最高温度的时间，s；t2-热电偶2达到最高温度的时间，s。
实施例1
将含硼富燃料推进剂切成4×4×150mm的长方体药条，并使用8％的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液对药条的表面进行包覆。使用微型钻孔机对包覆后的推进剂药条进行打孔，钻头尺寸为0.4mm，两靶线孔的间距为100.10mm。在推进剂药条的一侧打孔，并穿入直径为1mm的镍铬点火丝，点火丝与同一端热电偶孔的距离为25mm。将两支丝径为13μm的S型铂铑热电偶分别穿入两个靶线孔中，两支热点偶测温点的直径分别为48μm和45μm。在恒压弹中点燃推进剂药条，恒压弹中充满氮气，压强为1MPa。将热电偶测得的电压-时间曲线转成温度-时间曲线，从而获得推进剂在1MPa下的燃烧波曲线。通过分析燃烧波曲线可知，两支热电偶测得的燃烧温度分别为1145℃和1152℃。另外，两支热电偶测得燃烧温度的时间点分别为5.375s和18.524s，因此推进剂在1MPa下的燃速为7.605mm/s。
实施例2
将含硼富燃料推进剂切成4×4×150mm的长方体药条，并使用8％的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液对药条的表面进行包覆。使用微型钻孔机对包覆后的推进剂药条进行打孔，钻头尺寸为0.4mm，两靶线孔的间距为99.35mm。在推进剂药条的一侧打孔，并穿入直径为1mm的镍铬点火丝，点火丝与同一端热电偶孔的距离为28mm。将两支丝径为13μm的R型铂铑热电偶分别穿入两个靶线孔中，两支热点偶测温点的直径分别为45μm和43μm。在恒压弹中点燃推进剂药条，恒压弹中充满氮气，压强为10MPa。将热电偶测得的电压-时间曲线转成温度-时间曲线，从而获得推进剂在10MPa下的燃烧波曲线。通过分析燃烧波曲线可知，两支热电偶测得的燃烧温度分别为1207℃和1221℃。另外，两支热电偶测得燃烧温度的时间点分别为3.281s和8.376s，因此推进剂在10MPa下的燃速为19.500mm/s。
实施例3
将尺寸为Φ5×150mm的圆柱体双基推进剂药条使用8％的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液对表面进行包覆，并使用微型钻孔机对包覆后的推进剂药条进行打孔，钻头尺寸为0.4mm，两靶线孔的间距为80.22mm。在推进剂药条的一侧打孔，并穿入直径为1mm的镍铬点火丝，点火丝与同一端热电偶孔的距离为22mm。将两支丝径为13μm的R型铂铑热电偶分别穿入两个靶线孔中，两支热点偶测温点的直径分别为42μm和39μm。在恒压弹中点燃推进剂药条，恒压弹中充满氮气，压强为3MPa。将热电偶测得的电压-时间曲线转成温度-时间曲线，从而获得推进剂在3MPa下的燃烧波曲线。通过分析燃烧波曲线可知，两支热电偶测得的燃烧温度分别为1565℃和1579℃。另外，两支热电偶测得燃烧温度的时间点分别为3.158s和26.997s，因此推进剂在3MPa下的燃速为3.365mm/s。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将固体推进剂切成长方体或圆柱体药条，在推进剂药条的轴向两端分别沿径向打热电偶孔，测量两孔间距l；
步骤2：在推进剂药条轴向一端打孔，并穿入点火丝，所述点火丝穿入的孔的位置应与同一端的热电偶孔距离大于20mm，且比在同一端的热电偶离端面更近；
步骤3：将两支微型热电偶分别穿入热电偶孔内；
步骤4：将步骤3中装配好的推进剂药条放到恒压弹中进行点火，当固体推进剂燃烧到第一个热电偶的测温头附近时，随着温度的上升热电偶丝间的电压值升高，第一个热电偶出现最大电压的时间记为t1，当燃烧火焰开始离开第一个热电偶的测温头时，热电偶丝间的电压值下降，随着燃烧进行到第二个热电偶的测温头附近时，随着温度的上升热电偶丝间的电压值升高，第二个热电偶出现最大电压的时间记为t2，则推进剂的燃速r为：
式中：r-推进剂燃速，mm/s；t1-热电偶1达到最高温度的时间，s；t2-热电偶2达到最高温度的时间；
待推进剂药条燃烧完全后，绘制每个热电偶两端的电压随时间的变化曲线，并换算成温度-时间曲线，从而得到推进剂药条的两个燃烧波曲线。
2.根据权利要求1所述的一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，其特征在于，所述的步骤1还包括使用8％的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液对药条的表面进行包覆。
3.根据权利要求1所述的一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，其特征在于，所述微型热电偶为微型铂铑热热电偶。
4.根据权利要求3所述的一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，其特征在于，所述微型铂铑热电偶采用如下方法制成：将两根正负极铂铑热电偶丝绕成麻花状，焊接形成铂铑热热电偶的球形测温点，测温点的直径不大于50μm，麻花状的热电偶丝的长度不大于100μm。
5.如权利要求1或3或4所述的一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，其特征在于，两支微型铂铑热电偶分别穿入孔内时，测温头在药条径向的中点。
6.如权利要求1或3或4所述的一种固体推进剂燃速和燃烧波同步测试方法，其特征在于，两热电偶安装孔中心分别与推进剂药条端面距离不小于40mm。
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