CN110596301A - 双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机及测试方法，成功解决了过载方向对推进剂燃烧的影响。本发明燃烧室壳体设有爆破装置，爆破装置上安装大小双圆台阶状爆破密封塞，并用爆破盖拧紧；燃烧室壳体中部设有喷管，高强度石墨安装于喷管座中，并用压盖拧紧以防止试验中石墨喷喉喷出。燃烧室壳体以喷管中心为对称轴，一边放置端面燃烧推进剂装药、一边放置假药柱，通过互换推进剂装药与假药柱的位置，达到改变过载方向的目的。为避免过载下装药燃烧堵塞喷管及点火药甩出，采用燃烧后无残渣的赛璐珞盒固定点火药，保障过载下发动机试验的安全性和可靠性。适用于不同过载方向下推进剂装药燃烧特性和内弹道性能的测量及评价。

Description

双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机及测试方法

技术领域

本发明涉及双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机及测试方法，适用于固体推进剂装药旋转过载燃烧特性评价及表征技术领域。

背景技术

现代战争中武器系统的高精度、高速度、高突防能力成为使命成败的决定性因素。如高速地空反导导弹、空空导弹、炮射导弹等，在高加速、强机动飞行或急转弯过程中，会产生较大的飞行过载和横向过载。过载环境将影响固体火箭发动机装药燃烧和内流场，导致推进剂燃速增加，使燃烧室压强升高、工作时间缩短，影响了装药燃烧产物的流动规律，进而影响发动机内弹道性能和导弹的外弹道性能；过载环境恶化了装药包覆层的烧蚀环境，严重时导致包覆层防护失效，发动机烧穿解体。

据文献报道，国外曾发生过高过载影响推进剂装药正常工作而导致弹箭武器装备失效的诸多案例，在此背景下开展了大量的过载下推进剂装药的药型设计、配方设计、静态及过载条件下的内弹道性能试验、数值模拟等研究，以期深入了解过载条件下推进剂装药的燃烧规律和机理。研究表明：过载方向相对于燃面的方向对推进剂燃烧速度的影响很大，进而影响装药的燃烧，使得内弹道性能异常。因此亟需开展推进剂装药在不同过载方向下的燃烧特性研究。

发明内容

为了解决现有技术的不足或缺陷，本发明提供一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机及测试方法，该测试发动机及方法可以对推进剂在不同过载方向下的燃烧特性及内弹道特性进行测试评估及表征，削弱了过载条件下推进剂装药燃烧对旋转过载试验平台的威胁，提高了过载下发动机试验的安全性。

一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机包括燃烧室壳体、前封头、密封橡胶圈、垫块、爆破装置、压力传感器底座、推进剂装药、喷管、点火药盒、假药柱、后封头；

所述燃烧室壳体为圆筒状，两端分别通过螺纹与前封头及后封头连接，前封头与后封头尺寸及结构一致，前封头与后封头通过密封橡胶圈与燃烧室壳体密封；所述燃烧室壳体中部设有喷管，燃烧室壳体以喷管中心轴线为对称轴，一边放置垫块和端面燃烧推进剂装药，一边放置由胶木制备而成的假药柱，燃烧室壳体中部设有喷管，通过互换垫块和端面燃烧推进剂装药与假药柱的位置，达到改变过载方向的目的；圆柱状端面燃烧推进剂装药，其一端为球头，与缓冲垫块接触，另一端开有圆环形的锥型槽，与点火药盒接触；

所述燃烧室壳体中部还设有压力传感器底座和爆破装置，所述喷管、爆破装置、压力传感器底座三部分位于径向中面上，喷管、爆破装置、压力传感器底座轴线之间夹角为75°，便于该测试发动机安装到旋转过载试验台上；

可拆卸式压力传感器与压力传感器底座螺纹连接。

进一步的，爆破装置包括爆破装置底座、爆破密封塞以及爆破盖，爆破装置底座上安装爆破密封塞，爆破密封塞为大小双圆台阶状，将爆破密封塞小圆头端周围涂抹硅橡胶，装入爆破盖中，在爆破密封塞大圆头端涂抹三元乙丙绝热材料，并将带有爆破密封塞的爆破盖拧入爆破装置底座中紧固。

进一步的，所述喷管包括喷管座、高强度石墨以及喷管压盖，高强度石墨安装在喷管座中，并用喷管压盖压紧以防止高强度石墨喷喉喷出，影响推进剂装药正常燃烧和燃烧特性参数测量。

进一步的，所述点火药盒包括点火药盒主体和点火药盒端盖，点火药盒主体侧面设有点火线孔，将称好的点火药与点火头包扎成点火药包装入点火药盒主体中，并将点火线从点火线孔穿出，盖上点火药盒端盖，用引线配合将点火线穿出喷管。

进一步的，点火药盒主体由赛璐珞模压而成。

进一步的，所述爆破装置的爆破阈值为20MPa，满足双基系推进剂装药燃烧压强需求，喷管压盖的螺纹承压能力大于30MPa且小于35MPa，燃烧室壳体的承压能力大于等于40MPa，其泄压顺序为爆破装置、喷管压盖及燃烧室壳体。

进一步的，所述的爆破密封塞靠近燃烧室端涂抹三元乙丙绝热材料。

一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试方法，包括如下步骤：

1)制备双基系推进剂药柱，对药柱进行整形、车削，并用三元乙丙包覆技术进行包覆，制备成端面燃烧推进剂装药；

2)根据推进剂装药尺寸和燃烧室自由容积计算点火药的药量；

3)测试发动机装配：首先将燃烧室壳体放入虎钳中固定，并把假药柱装入燃烧室前端，在前盖螺纹上套上密封圈，并将前盖拧入燃烧室壳体中紧固；将称量好的点火药包装入点火药盒中，点火线从侧面点火线孔穿出点火药盒，并用引线配合将点火线穿出喷管；推进剂装药锥型槽朝前、球头朝后，缓慢送入燃烧室壳体中，将垫块放入燃烧室壳体中装药球头位置处，在后盖上套上密封圈，并拧入燃烧室壳体中紧固；将标定好的压力传感器拧入压力传感器底座，并在燃烧室壳体上标注装药的位置；

4)根据旋转过载试验台转速n与过载a_n之间的对应关系a_n＝ω²r＝(2πn)²r＝4π²r·n²，旋转过载台中心轴与测试发动机质心的距离r为0.726m，得到测试发动机过载值与旋转过载试验台转速的对应关系为：

5)将装配好的测试发动机固定在旋转过载试验台测量台架上，将标注装药的一端朝向旋转过载试验台或者朝向远离轴的位置，以达到改变装药在旋转过程中过载方向的目的；连接标定好的测压传感器及点火线；

6)启动电机转动，根据测试发动机过载值要求设置旋转过载试验台转速，当旋转过载试验台转速稳定且满足要求后，点燃推进剂装药，该测试发动机开始工作，开启同步触发系统，采集测压数据；

7)对测压数据进行数据处理，即可测试不同过载方向对双基系推进剂装药的内弹道特性及动态燃速特性的影响。

进一步的，所述步骤四还包括：试验前对旋转过载试验台检查调试，确保运行可靠；对旋转过载状态下的点火系统、燃烧室压强测试参数进行联试，确保在旋转过载状态下可以同时点火，并进行燃烧室压强数据采集。

进一步的，所述步骤六中，采集速度为1000点/秒。

本发明的优点在于：

1.本发明通过在燃烧室壳体中部布置喷管，测试发动机结构以喷管中心轴线为对称轴，对称轴一侧放置垫块和端面燃烧推进剂装药、一边放置由胶木制备而成的假药柱，通过互换垫块和端面燃烧推进剂装药与假药柱的位置，即可达到改变过载方向的目的；相对现有测试装置及方法，只能测试0～90°的过载角度，进步显著；

2.本发明通过在燃烧室壳体中部布置喷管、爆破装置及压力传感器底座，三部分位于径向同一平面上，且喷管、泄压孔、测压孔轴线之间夹角为75°，便于工装保证该测试发动机安装到旋转过载试验台上；

3.本发明采用赛璐珞盒体装载点火药包，固定了点火药包，避免了点火药甩出或漏包；赛璐珞燃烧后无残渣，避免了金属药盒燃烧残渣堵塞喷管和金属参与推进剂燃烧等影响；

4.本发明通过在中部中面上布置爆破装置，爆破装置上安装爆破密封塞，爆破密封塞为大小双圆台阶状，密封塞的爆破阈值为20MPa，在保证双基系推进剂装药旋转过载燃烧特性研究的前提下提高了测试的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图。其中，1—燃烧室壳体，2—前封头，3—密封橡胶圈，4—垫块，5—爆破装置，6—压力传感器底座，7—推进剂装药，8—喷管，9—点火药盒，10—假药柱，11—后封头。

图2为双基系推进剂装药示意图。

图3为爆破装置示意图；其中5-1为爆破装置底座，5-2为爆破密封塞，5-3为爆破盖。

图4为喷管示意图；其中8-1为喷管座，8-2为高强度石墨，8-3为喷管压盖。

图5为点火药盒示意图；其中9-1为点火药盒端盖，9-2为点火药盒主体，9-3为点火线孔。

图6为推进剂装药放置在靠近过载台轴的位置图。

图7为推进剂装药放置在远离过载台轴的位置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进一步说明。

实施例1

调研国内外过载试验装置显示：为研究过载角度对其燃烧特性及内弹道性能影响，通过对装置进行改进，基本能达到发动机轴线与试验台水平线之间呈0°～90°之间的夹角，没有改变过载方向，本发明通过设计对称结构，通过互换安装方向，不用对装置进行大的改动，即可实现0°与180°角度下的过载燃烧内弹道性能试验。

如图1所示，制备双基系推进剂药柱，对药柱进行整形、车削等并用三元乙丙包覆技术进行包覆，制备成端面燃烧推进剂装药，通过CT、DR等无损检测技术考核装药无缺陷或脱粘情况，将满足要求的推进剂装药安装于本发明测试发动机中。将装配好的测试发动机置于旋转过载试验台上，启动电机转动，当旋转过载试验台转速稳定且满足要求后，点燃推进剂装药，该测试发动机开始工作，通过互换垫块和端面燃烧推进剂装药与假药柱的位置，即可达到改变过载方向的目的，测试获得不同过载方向对推进剂装药内弹道特性及动态燃烧特性的影响等。

利用不同过载方向燃烧的测试发动机，如图1-5所示，包括燃烧室壳体1、前封头2、密封橡胶圈3、垫块4、爆破装置5、压力传感器底座6、推进剂装药7、喷管8、点火药盒9、假药柱10、后封头11等。

燃烧室壳体1为圆筒状，两端分别通过螺纹与前封头2及后封头11连接，前封头2与后封头11尺寸及结构一致；燃烧室壳体1以喷管8中心轴线为对称轴，一边放置垫块4和端面燃烧推进剂装药7、一边放置由胶木制备而成的假药柱10，通过互换垫块4和端面燃烧推进剂装药7与假药柱10的位置，达到改变过载方向的目的；端面燃烧推进剂装药7为圆柱状，其一端为球头，与缓冲垫块4接触，另一端开有圆环形的锥型槽，以增加端面燃烧装药的点火面积，与点火药盒9接触；对推进剂装药和包覆层结构、包覆层厚度、药型尺寸及长径比等进行合理优化设计，保证力学性能好且在旋转过载及点火条件下不会发生装药结构完整性破坏；对推进剂装药药型在不同过载方向下的燃烧及流动特性进行仿真优化设计，保证其流场稳定，流动平稳；保证装药在设计工作压强下保持平台燃烧特性，且过载燃烧产生的压强升高可控；装药的燃烧时间既能反映出不同过载方向对装药燃烧特性的影响，又能在保证安全的前提下药量越少越好；对不同过载条件下推进剂装药工作过程进行仿真，保证药柱燃面推移尽量平稳，且推移过程中的余药结构安全可靠。点火药为2类黑火药，点火药的药量根据被测改性双基推进剂和燃烧室自由容积计算，称取点火药，精确至0.1g，将称好的点火药与点火头包扎成点火药包装入由赛璐珞模压而成的点火药盒主体9-2中，并将点火线从侧面点火线孔9-3穿出，盖上点火药盒端盖9-1，用引线配合将点火线穿出喷管8。喷管设计方面，通过对喷管结构强度、尺寸、膨胀比等进行了优化设计，保证了结构可靠性前提下的能量损失最小原则。对测试发动机整体进行了工作过程仿真优化设计，考虑了推进剂装药燃烧内流场、测试发动机部件结构之间的流固耦合，使得其各部件结构和燃烧产物流动可靠。

燃烧室壳体1中部设有压力传感器底座6和爆破装置5，可拆卸式压力传感器与压力传感器底座6螺纹连接，爆破装置底座5-1上安装爆破密封塞5-2，爆破密封塞5-2为大小双圆台阶状，将爆破密封塞5-2小圆头端周围涂抹硅橡胶，装入爆破盖5-3中，在爆破密封塞5-2大圆头端涂抹三元乙丙绝热材料，并将带有爆破密封塞5-2的爆破盖5-3拧入爆破装置底座5-1中紧固；燃烧室壳体1中部设有喷管8，高强度石墨8-2安装在喷管座8-1中，并用喷管压盖8-3压紧以防止高强度石墨8-2喷出，影响推进剂装药正常燃烧和燃烧特性参数测量；喷管设计方面，通过对喷管结构强度、尺寸、膨胀比等进行了优化设计，保证了结构可靠性前提下的能量损失最小原则。

点火药盒9为赛璐珞盒体，避免了旋转过载下发动机堵塞喷管和点火药甩出，且赛璐珞燃烧后无残渣，可保障发动机试验的安全性和可靠性；

爆破装置5的爆破阈值为20MPa，满足双基系推进剂装药燃烧压强需求，喷管压盖8-3的螺纹承压能力大于30MPa且小于35MPa，燃烧室壳体1的承压能力大于等于40MPa，其泄压顺序为爆破装置5、喷管压盖8-3及燃烧室壳体1；

喷管8、爆破装置5、压力传感器底座6三部分位于径向中面上，喷管8、爆破装置5、压力传感器底座6轴线之间夹角为75°，便于该测试发动机安装到旋转过载试验台上；

爆破密封塞5-1靠近燃烧室端涂抹三元乙丙绝热材料。

一种双基系推进剂装药不同过载方向燃烧的测试方法，包括以下步骤：

1)制备改性双基推进剂药柱，对药柱进行整形、车削等并用三元乙丙包覆技术进行包覆，制备成端面燃烧推进剂装药，通过CT、DR等无损检测技术考核装药无缺陷或脱粘情况；

2)已知推进剂燃烧速度测试结果和配方特征速度、密度、燃烧温度等计算结果，根据固体火箭发动机一维内弹道理论设计喷管扩张比、喷喉面积等，加工喷管部件和其他发动机零部件，根据装药尺寸和燃烧室尺寸初步估算点火药量；

3)测试发动机装配：首先将燃烧室壳体放入虎钳中固定，并把胶木制成的假药柱装入燃烧室前端，在前盖螺纹上套上密封圈，并将前盖拧入燃烧室壳体中紧固；将称量好的点火药包装入赛璐珞盒中，点火线从侧面小孔穿出药盒，并用引线配合将点火线穿出喷管；双基系推进剂装药点火槽朝前、球头朝后，缓慢送入燃烧室壳体中，将垫块放入燃烧室壳体中装药球头位置处，在后盖上套上密封圈，并拧入燃烧室壳体中紧固；将标定好的压力传感器拧入压力传感器底座，并在燃烧室壳体上标注装药的位置。

4)试验前对旋转过载试验台检查调试，确保运行可靠。对旋转过载状态下的点火系统、燃烧室压强测试参数进行联试，确保在旋转过载状态下可以同时点火，并进行燃烧室压强数据采集；装药承受的过载主要由旋转过载试验台产生的离心力提供，根据旋转过载试验台转速n与过载a_n之间的对应关系a_n＝ω²r＝(2πn)²r＝4π²r·n²，通过对装药及测试发动机整体进行质心计算，获得该测试发动机质心位置，旋转过载台中心轴与测试发动机质心的距离r为0.726m，可得到测试发动机过载值与旋转过载试验台转速的对应关系为：

过载(m/s<sup>2</sup>)	10g	30g	60g	90g
					转速(r/min)	110	195	275	337

5)将装配好的测试发动机用专用夹具固定在旋转过载试验台测量台架上，将标注装药的一端朝向旋转过载试验台或者朝向远离轴的位置，以达到改变装药在旋转过程中过载方向的目的；连接标定好的测压传感器及点火线，每发试验前，检查调试仪器的零点及满量程；图6为推进剂装药放置在靠近过载台轴的位置图，图7为推进剂装药放置在远离过载台轴的位置图。

6)启动电机转动，当旋转过载试验台转速稳定且满足要求后，点燃推进剂装药，该测试发动机开始工作，开启同步触发系统，采集速度一般为1000点/秒，按发动机工作时间等具体情况改变采集速度；

7)采集测压数据并存入磁盘，进行数据处理，即可测试不同过载方向对双基系推进剂装药的内弹道特性及动态燃速特性等的影响。

以上所述的描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步解释说明，所应理解的是，以上所述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 (10)

1.一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机，其特征在于：包括燃烧室壳体(1)、前封头(2)、密封橡胶圈(3)、垫块(4)、爆破装置(5)、压力传感器底座(6)、推进剂装药(7)、喷管(8)、点火药盒(9)、假药柱(10)、后封头(11)；

所述燃烧室壳体(1)为圆筒状，两端分别通过螺纹与前封头(2)及后封头(11)连接，前封头(2)与后封头(11)尺寸及结构一致，前封头(2)与后封头通过密封橡胶圈(3)与燃烧室壳体(1)密封；所述燃烧室壳体(1)中部设有喷管(8)，燃烧室壳体(1)以喷管(8)中心轴线为对称轴，一侧放置垫块(4)和端面燃烧推进剂装药(7)，另一侧放置假药柱(10)，通过点火药盒(9)隔开，通过互换垫块(4)和端面燃烧推进剂装药(7)与假药柱(10)的位置，达到改变过载方向的目的；端面燃烧推进剂装药(7)的一端为球头，与缓冲垫块(4)接触，另一端开有圆环形的锥型槽，与点火药盒(9)接触；

所述燃烧室壳体(1)中部还设有压力传感器底座(6)和爆破装置(5)，所述喷管(8)、爆破装置(5)、压力传感器底座(6)三部分位于径向中面上，喷管(8)、爆破装置(5)、压力传感器底座(6)轴线之间夹角为75°，便于该测试发动机安装到旋转过载试验台上；

可拆卸式压力传感器与压力传感器底座(6)螺纹连接。

2.如权利要求1所述的一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机，其特征在于：爆破装置(5)包括爆破装置底座(5-1)、爆破密封塞(5-2)以及爆破盖(5-3)，爆破装置底座(5-1)上安装爆破密封塞(5-2)，爆破密封塞(5-2)为大小双圆台阶状，将爆破密封塞(5-2)小圆头端周围涂抹硅橡胶，装入爆破盖(5-3)中，在爆破密封塞(5-2)大圆头端涂抹三元乙丙绝热材料，并将带有爆破密封塞(5-2)的爆破盖(5-3)拧入爆破装置底座(5-1)中紧固。

3.如权利要求1所述的一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机，其特征在于：所述喷管(8)包括喷管座(8-1)、高强度石墨(8-2)以及喷管压盖(8-3)，高强度石墨(8-2)安装在喷管座(8-1)中，并用喷管压盖(8-3)压紧以防止高强度石墨喷喉(8-2)喷出，影响推进剂装药正常燃烧和燃烧特性参数测量。

4.如权利要求1所述的一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机，其特征在于：所述点火药盒(9)包括点火药盒主体(9-2)和点火药盒端盖(9-1)，点火药盒主体(9-2)侧面设有点火线孔(9-3)，将称好的点火药与点火头包扎成点火药包装入点火药盒主体(9-2)中，并将点火线从点火线孔(9-3)穿出，盖上点火药盒端盖(9-1)，用引线配合将点火线穿出喷管(8)。

5.如权利要求4所述的一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机，其特征在于：点火药盒主体(9-2)由赛璐珞模压而成。

6.根据权利要求3所述的一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机，其特征在于：所述爆破装置(5)的爆破阈值为20MPa，满足双基系推进剂装药燃烧压强需求，喷管压盖(8-3)的螺纹承压能力大于30MPa且小于35MPa，燃烧室壳体(1)的承压能力大于等于40MPa，其泄压顺序为爆破装置(5)、喷管压盖(8-3)及燃烧室壳体(1)。

7.根据权利要求2所述的一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试发动机，其特征在于：所述的爆破密封塞(5-2)靠近燃烧室端涂抹三元乙丙绝热材料。

8.一种双基系推进剂不同过载方向燃烧的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)制备双基系推进剂药柱，对药柱进行整形、车削，并用三元乙丙包覆技术进行包覆，制备成端面燃烧推进剂装药；

2)根据推进剂装药尺寸和燃烧室自由容积计算点火药的药量；

3)测试发动机装配：首先将燃烧室壳体放入虎钳中固定，并把假药柱装入燃烧室前端，在前盖螺纹上套上密封圈，并将前盖拧入燃烧室壳体中紧固；将称量好的点火药包装入点火药盒中，点火线从侧面点火线孔穿出点火药盒，并用引线配合将点火线穿出喷管；推进剂装药锥型槽朝前、球头朝后，缓慢送入燃烧室壳体中，将垫块放入燃烧室壳体中装药球头位置处，在后盖上套上密封圈，并拧入燃烧室壳体中紧固；将标定好的压力传感器拧入压力传感器底座，并在燃烧室壳体上标注装药的位置；

4)根据旋转过载试验台转速n与过载a_n之间的对应关系a_n＝ω²r＝(2πn)²r＝4π²r·n²，旋转过载台中心轴与测试发动机质心的距离r为0.726m，得到测试发动机过载值与旋转过载试验台转速的对应关系为：

5)将装配好的测试发动机固定在旋转过载试验台测量台架上，将标注装药的一端朝向旋转过载试验台或者朝向远离轴的位置，以达到改变装药在旋转过程中过载方向的目的；连接标定好的测压传感器及点火线；

6)启动电机转动，根据测试发动机过载值要求设置旋转过载试验台转速，当旋转过载试验台转速稳定且满足要求后，点燃推进剂装药，该测试发动机开始工作，开启同步触发系统，采集测压数据；

7)对测压数据进行数据处理，即可测试不同过载方向对双基系推进剂装药的内弹道特性及动态燃速特性的影响。

9.如权利要求8所述的一种改性双基推进剂系不同过载方向燃烧的测试方法，其特征在于：所述步骤四还包括：试验前对旋转过载试验台检查调试，确保运行可靠；对旋转过载状态下的点火系统、燃烧室压强测试参数进行联试，确保在旋转过载状态下可以同时点火，并进行燃烧室压强数据采集。

10.如权利要求8所述的一种改性双基推进剂系不同过载方向燃烧的测试方法，其特征在于：所述步骤六中，采集速度为1000点/秒。