CN110758780A - 一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置和方法，属于失重状态研究领域，包括导轨，导轨从高点向低点延伸，且轨道在延伸过程中带有向下弯曲的弧度，实验小车从轨道的高点向低点运动过程中，实验小车沿轨道下滑，因下滑过程中实验小车位于导轨的任一位置均处于失重状态；实验小车内设有腔室，腔室内设置有燃烧室，燃烧室中设有固定摆放的燃烧物，所述燃烧室位于腔室内的侧壁上安装有耐高温玻璃，所述腔室位于耐高温玻璃处设有面向燃烧物的拍摄装置，本发明通过让实验小车在导轨上下滑，下滑过程中实验小车呈失重状态，通过实验小车内的拍摄装置能够观测燃烧物在失重环境下的燃烧状态，为航空航天研究提供了便捷。

Description

一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置和方法

技术领域

本发明专利涉及用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置和方法，具体是一种利用运动时产生的加速度减小重力加速度而达到失重状态的燃烧系统，属于失重状态研究领域。

背景技术

航空航天研究领域中包括航空航天材料在微重力的环境下的燃烧研究，针对材料在微重力环境的试验需要建立落塔进行落塔试验，当今世界上有美国、日本、德国、中国等多个国家根据空间基础交叉科学研究的需要，陆续建成了超过百米的地基微重力实验设施。其中美国Lewis研究中心、日本微重力研究所为落井实验设施；力学所落塔是继德国Bremen落塔（ZARM）之后世界上第二座在地面上建成的超百米落塔。在落舱回收系统等方面，我们拥有独特的国际领先优势。落塔可进行流体物理、非金属材料燃烧、液体管理等微重力实验研究，为航天飞行器载荷搭载实验及其防火技术预研提供了便利的实验手段。此外在落塔进行固体微细颗粒流型实验研究，以及某些高精度微重力感应仪器研制试验，其结果对空间科技发展具有重要的参考价值。

但是落塔的造价非常高昂，因此无法普及到一般的科研院校中，如果需要研究材料在微重力环境下的变化，需要排队申请，因此研究一种无须搭载落塔也能实现材料在微重力环境下的试验是当今需要解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，包括

导轨，导轨从高点向低点延伸，且轨道在延伸过程中带有向下弯曲的弧度，导轨的弯曲度满足公式：

R=g/（k·θ·sinθ+k·cosθ）；

其中R是对应θ一点的曲率半径，g为重力加速度g=10m/s，k的取值范围：k=（1、2、3…），θ为绕轨道曲率圆心转动的角度，0≤θ≤π/2；

实验小车，实验小车从轨道的高点向低点运动过程中，实验小车沿轨道下滑，因下滑过程中时刻满足运动加速度在重力加速度方向的分量与重力加速度数值相等且方向相同，故实验小车位于导轨的任一位置均处于失重状态；实验小车的重力加速度垂直方向的分量需满足公式：g_y=k²·t²·R·sinθ+k·R·cosθ；其中t为实验小车运动至θ处所用时间；

实验小车内设有腔室，腔室内设置有燃烧室，燃烧室中设有固定摆放的燃烧物，所述燃烧室位于腔室内的侧壁上安装有耐高温玻璃，所述腔室位于耐高温玻璃处设有面向燃烧物的拍摄装置。

进一步，燃烧室包括两面相对设置的耐高温玻璃作为燃烧室的侧壁，所述耐高温玻璃的侧边与容腔的侧部以及底部相互嵌合，所述腔室的两面内壁上分别开设有与两面耐高温玻璃侧边相匹配的侧部插槽，两组耐高温玻璃的侧边分别插入在对应的侧部插槽中，所述腔室的底部设有两条与耐高温玻璃底部相匹配的底部插槽，两面耐高温玻璃的底部分别插入在底部插槽中。

进一步，所述拍摄装置安装于任一面耐高温玻璃外部的腔室中，另一面耐高温玻璃外部的腔室中安装有照明装置。

进一步，所述燃烧物为附着有航空燃料的航空航天器材。

进一步，所述实验小车的顶部开设有与燃烧室接通的开口，开口处安装有密封盖，所述密封盖包括密封塞和安装在密封塞顶部的盖板，所述密封塞塞入开口内，密封塞的侧部与开口通过螺纹连接，所述盖板覆盖在开口上方，盖板的外部套有密封圈。

进一步，所述密封塞底部安装有电弧点火器，电弧点火器的电源线上设有远程控制开关。

进一步，所述实验小车的侧部对应燃烧室侧部位置开设有通气孔，通气孔中插入有气管，气管位于实验小车的外部安装有气阀。

进一步，所述燃烧室内设有用于固定燃烧物的夹具，所述夹具与燃烧室底部固定连接。

进一步，所述实验小车的前进方向的表面带有向外突出的弧面。

进一步，实验小车的底部设有滚轮，滚轮在导轨上行驶，所述滚轮上涂油减小摩擦力的润滑油。

1.进一步，一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的方法，具体步骤如下：

步骤1，构件一导轨，所述导轨的的弧度的曲率半径满足公式：R=g/（k•θ•sinθ+k•cosθ）；

步骤2，对试验小车做试验前的调试，具体调试工作如下：在实验小车的燃烧室放置燃烧物，燃烧室底部的夹具夹紧燃烧物，密封好实验小车顶部的密封盖，用气泵通过气管把燃烧室内空气抽出，再用气泵向燃烧室内导入纯氧并调节燃烧室内的气压为113.8Pa，调试燃烧室外部的照明装置和拍摄装置使照明装置和拍摄装置对准燃烧物；

步骤3，启动实验小车，使其沿导轨移动，且实验小车进入导轨时远程点燃实验小车内的燃烧物，且控制实验小车的重力加速度垂直方向的分量需满足公式：g_y=k²·t²·R·sinθ+k·R·cosθ：

步骤4，试验小车运动至导轨低点处的挡板处停下，试验人员等待试验小车内的燃烧物自行熄灭，用气泵接入小车内的气管收集燃烧室内的残留气体，然后打开密封盖收集燃烧后的残留物，最后取出拍摄装置，从拍摄装置中导出燃烧影像；

步骤5，依照步骤1至四做多次试验，分别对每次的收集物做试验分析；

步骤6，把多次试验分析数据据导入计算机中做分析对比。

和现有技术相比较，本发明的优点如下：

1、本发明无需建立落塔也可对材料进行微重力环境下的试验，并且造价低廉，使用方便。

2、本试验装置具有占地小的优点。

3、本试验装置具有可以收集燃烧物的燃烧气体，燃烧温度、炎色状态变化等数据，具有收集数据全面的优点。

4、本试验装置具有可远程控制燃烧，安全可靠的优点。

附图说明

图1为本试验装置的结构图；

图2为实验小车圆周运动过程中处于失重状态的的圆心角度θ的示意图；

图3为导轨曲线形状的示意图；

图4为实验小车内部的结构图；

图5为实验小车的俯视图；

图6为实验小车的正视图；

图7为电弧点火器的电路图。

附图标记：

1、导轨；2、实验小车；3、挡板；4、腔室；5、盖板；6、密封塞；7、密封圈；8、燃烧室；9、耐高温玻璃；10、燃烧物；11、夹具；12、拍摄装置；13、照明装置；14、电弧点火器；15、通气孔；16、滚轮；17、弧面；18、底部插槽；19、侧部插槽；20、开口；21、气管；22、气阀；23、远程控制开关；24、三极管；25、电源；26、电阻；27、回复二极管；28、高频电压器；29、平台。

具体实施方式

实施例1

如图1至图3所示，一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置包括

导轨1，导轨1从高点向低点延伸，且轨道在延伸过程中带有向下弯曲的弧度，导轨1的底部设有挡板3，为了保证实验小车2在导轨1上的下滑过程中达到失重状态，必须满足以下条件：

已知

1.失重为实验小车2在引力场中自由运动时有质量而不表现重量或重量较小的一种状态。

2.当实验小车2与实验小车2连接时，可视为同一实验小车2，两物具有相同速度，加速度。

3.惯性定律：一切实验小车2在没有受到力的作用，运动状态不会改变。

因此，设实验小车2质量为M，燃烧物10质量为m，重力加速度为g， g=10m/s，此时两物如受支持力，

则有：N=Mg+mg （公式2）

实验小车2质量和燃烧物10的重力加速度均为g，若给其一与g同向的加速度a（通过发动机驱动实验小车2加速），

则此时实验小车2质量和燃烧物10有：Mg+mg=N+Ma+ma （公式3）

即N=M（g-a）+m（g-a）<Mg+mg （公式4）

由于此时实验小车2质量与燃烧物10的重量小于标准重量，当a=g时，则N=0，可知此时，燃烧物10处于失重状态。

故由此可知实验小车2在导轨1中向下滑动过程中状态为向下加速，验实验小车2和内部的燃烧物10均处于失重状态。

则如图2所示一圆周曲线，当实验小车2沿曲线运动至处θ处时，法向加速度a_n=ω2•R，切向加速度为a_t=dυ/d t，此处实验小车2受控制其角速度数值设为ω=k•t，其中k是常数，t为实验小车2运动至θ处所用时间，从初始时刻为0开始算起，则切向速度υ=ω•R=k•t•R，若此处实验小车2处于失重状态，则R是对应θ一点的曲率半径；

则ω•R²•sinθ+dυ/d t•cosθ=g （公式5）

k²•t²•R•sinθ+k•R•cosθ=g （公式6）

R（k²•t²•sinθ+k•cosθ）=g （公式7）

R=g/（k²•t²•sinθ+k•cosθ） （公式8）

又∵ k•t²=θ （公式9）

∴R=g/（k•θ•sinθ+k•cosθ） （公式10）

故当0≤θ≤π/2时，实验小车2处于加速状态，则处于失重；

又∵π/2≤θ时，曲线存在极限，为无限长

∴只取0≤θ≤π/2部分做失重运动的研究。

如当0≤θ≤π/2时，实验小车2处于加速状态，从导轨1顶部向下运动，其初始时刻θ取0；

实际试验中，首先测量导轨1位于θ=0处的曲面半径R₀的长度，然后把R₀长度值以及θ=0带入至（公式10） 中即，R=g/（k•θ•sinθ+k•cosθ）中，通过计算后得到常数k的值，通过确定常数k的数值后再通过（公式10）来计算不同θ角度下的曲面半径的数值。

计算实验小车2的运动加速度

试验实验小车2绕曲率圆心的运动角速度为ω=kt，k的大小通过（公式10）求得，t为实验小车2运动至θ处所用时间；其法向加速度a_n =ω²•R=k²•t²•R，切向加速度a_t=dυ/d t=k；

其重力加速度方向分量：

g_y=ω²•R•sinθ+dυ/d t•cosθ

即k²•t²•R•sinθ+k•R•cosθ

如图3所示为R的具体曲线图。此时θ为90.24°

则当物体在此0≤θ≤π/2导轨1区间上，每一个θ处均处于失重状态。

向下加速时以角速度k•t顺时针运动时，（t从初始时刻θ=0开始t=0，至运动到θ=π/2处，t=[（π•k）/2]½结束）

向上减速时以角速度=[（π•k）/2]½－k•t运动时，（t从初始时刻θ=π/2开始t=0，至运动到θ=0处，t=[（π•k）/2]½结束）

每一个θ连续起来，则可保证在每一时刻都处于失重状态。

实验小车2，实验小车2从轨道的高点向低点运动过程中，实验小车2沿轨道下滑，因下滑过程中时刻满足运动加速度在重力加速度方向的分量与重力加速度数值相等且方向相同，故实验小车2位于导轨1的任一位置均处于失重状态；

实验小车2内设有腔室4，腔室4内设置有燃烧室8，燃烧室8中设有固定摆放的燃烧物10，所述燃烧物10为附着有航空燃料的航空航天器材，燃烧物为：是防火碳氟化合物高弹聚合材料、氟硅氧烷弹胶、聚酰亚胺/玻璃纤维复合材料、聚喹喔啉/玻璃纤维复合材料等材料；燃烧室8位于腔室4内的侧壁上安装有耐高温玻璃9，所述腔室4位于耐高温玻璃9处设有面向燃烧物10的拍摄装置12。

实施例2

如图3至图7所示，燃烧室8包括两面相对设置的耐高温玻璃9作为燃烧室8的侧壁，所述耐高温玻璃9的侧边与容腔的侧部以及底部相互嵌合，所述腔室4的两面内壁上分别开设有与两面耐高温玻璃9侧边相匹配的侧部插槽19，两组耐高温玻璃9的侧边分别插入在对应的侧部插槽19中，所述腔室4的底部设有两条与耐高温玻璃9底部相匹配的底部插槽18，两面耐高温玻璃9的底部分别插入在底部插槽18中。所述拍摄装置12安装于任一面耐高温玻璃9外部的腔室4中，另一面耐高温玻璃9外部的腔室4中安装有照明装置13。所述实验小车2的顶部开设有与燃烧室8接通的开口20，开口20处安装有密封盖，所述密封盖包括密封塞6和安装在密封塞6顶部的盖板5，所述密封塞6塞入开口20内，密封塞6的侧部与开口20通过螺纹连接，所述盖板5覆盖在开口20上方，盖板5的外部套有密封圈7。所述密封塞6底部安装有电弧点火器14，电弧点火器14的电源线上设有远程控制开关23。所述实验小车2的侧部对应燃烧室8侧部位置开设有通气孔15，通气孔15中插入有气管21，气管21位于实验小车2的外部安装有气阀22。所述燃烧室8内设有用于固定燃烧物10的夹具11，所述夹具11与燃烧室8底部固定连接。所述实验小车2的前进方向的表面带有向外突出的弧面17，通过弧面17能够减小风阻，进一步的达到接近失重的微重力环境，实验小车2的底部设有滚轮16，滚轮16在导轨1上行驶，所述滚轮16上涂油减小摩擦力的润滑油，通过润滑油可以减小滚轮16和导轨1的摩擦力，进一步的达到接近失重的微重力环境。

实施例4

一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的方法，具体步骤如下：

步骤1，构件一导轨，所述导轨的的弧度的曲率半径满足公式：R=g/（k•θ•sinθ+k•cosθ）；

步骤2，对试验小车做试验前的调试，具体调试工作如下：在实验小车的燃烧室放置燃烧物，燃烧室底部的夹具夹紧燃烧物，密封好实验小车顶部的密封盖，用气泵通过气管21把燃烧室内空气抽出，再用气泵向燃烧室内导入纯氧并调节燃烧室内的气压为113.8Pa，调试燃烧室外部的照明装置和拍摄装置使照明装置和拍摄装置对准燃烧物；

步骤3，启动实验小车，使其沿导轨移动，且实验小车进入导轨时远程点燃实验小车内的燃烧物，且控制实验小车的重力加速度垂直方向的分量需满足公式：g_y=k²·t²·R·sinθ+k·R·cosθ：

步骤4，试验小车运动至导轨低点处的挡板处停下，试验人员等待试验小车内的燃烧物自行熄灭，用气泵接入小车内的气管21收集燃烧室内的残留气体，然后打开密封盖收集燃烧后的残留物，最后取出拍摄装置，从拍摄装置中导出燃烧影像；

步骤5，依照步骤1至四做多次试验，分别对每次的收集物做试验分析；

步骤6，把多次试验分析数据据导入计算机中做分析对比。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，包括

导轨，导轨从高点向低点延伸，且轨道在延伸过程中带有向下弯曲的弧度，导轨的弯曲度满足公式：

R=g/（k·θ·sinθ+k·cosθ）；

其中R是对应θ一点的曲率半径，g为重力加速度g=10m/s，k为常数，θ为绕轨道曲率圆心转动的角度，0≤θ≤π/2；

实验小车，实验小车从轨道的高点向低点运动过程中，实验小车沿轨道下滑，因下滑过程中时刻满足运动加速度在重力加速度方向的分量与重力加速度数值相等且方向相同，故实验小车位于导轨的任一位置均处于失重状态；实验小车的重力加速度垂直方向的分量需满足公式：g_y=k²·t²·R·sinθ+k·R·cosθ；其中t为实验小车运动至θ处所用时间；

实验小车内设有腔室，腔室内设置有燃烧室，燃烧室中设有固定摆放的燃烧物，所述燃烧室位于腔室内的侧壁上安装有耐高温玻璃，所述腔室位于耐高温玻璃处设有面向燃烧物的拍摄装置。

2.根据权利要求1所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，燃烧室包括两面相对设置的耐高温玻璃作为燃烧室的侧壁，所述耐高温玻璃的侧边与容腔的侧部以及底部相互嵌合，所述腔室的两面内壁上分别开设有与两面耐高温玻璃侧边相匹配的侧部插槽，两组耐高温玻璃的侧边分别插入在对应的侧部插槽中，所述腔室的底部设有两条与耐高温玻璃底部相匹配的底部插槽，两面耐高温玻璃的底部分别插入在底部插槽中。

3.根据权利要求2所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，所述拍摄装置安装于任一面耐高温玻璃外部的腔室中，另一面耐高温玻璃外部的腔室中安装有照明装置。

4.根据权利要求3所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，所述燃烧物为附着有航空燃料的航空航天器材。

5.根据权利要求4所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，所述实验小车的顶部开设有与燃烧室接通的开口，开口处安装有密封盖，所述密封盖包括密封塞和安装在密封塞顶部的盖板，所述密封塞塞入开口内，密封塞的侧部与开口通过螺纹连接，所述盖板覆盖在开口上方，盖板的外部套有密封圈。

6.根据权利要求5所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，所述密封塞底部安装有电弧点火器，电弧点火器的电源线上设有远程控制开关。

7.根据权利要求6所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，所述实验小车的侧部对应燃烧室侧部位置开设有通气孔，通气孔中插入有气管，气管位于实验小车的外部安装有气阀。

8.根据权利要求7所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，所述燃烧室内设有用于固定燃烧物的夹具，所述夹具与燃烧室底部固定连接。

9.根据权利要求8所述的用于观察航天器材在失重状态燃烧的装置，其特征在于，实验小车的底部设有滚轮，滚轮在导轨上行驶，所述滚轮上涂油减小摩擦力的润滑油。

10.根据权利要求9所述的一种用于观察航天器材在失重状态燃烧的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，构件一导轨，所述导轨的的弧度的曲率半径满足公式：R=g/（k•θ•sinθ+k•cosθ）；

步骤2，对试验小车做试验前的调试，具体调试工作如下：在实验小车的燃烧室放置燃烧物，燃烧室底部的夹具夹紧燃烧物，密封好实验小车顶部的密封盖，用气泵通过气管把燃烧室内空气抽出，再用气泵向燃烧室内导入纯氧并调节燃烧室内的气压为113.8Pa，调试燃烧室外部的照明装置和拍摄装置使照明装置和拍摄装置对准燃烧物；

步骤3，启动实验小车，使其沿导轨移动，且实验小车进入导轨时远程点燃实验小车内的燃烧物，且控制实验小车的重力加速度垂直方向的分量需满足公式：g_y=k²·t²·R·sinθ+k·R·cosθ：

步骤4，试验小车运动至导轨低点处的挡板处停下，试验人员等待试验小车内的燃烧物自行熄灭，用气泵接入小车内的气管收集燃烧室内的残留气体，然后打开密封盖收集燃烧后的残留物，最后取出拍摄装置，从拍摄装置中导出燃烧影像；

步骤5，依照步骤1至四做多次试验，分别对每次的收集物做试验分析；

步骤6，把多次试验分析数据据导入计算机中做分析对比。

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