CN112098100A - 一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置，由发动机燃烧室和并行烧蚀试验段组成，并行烧蚀试验段安装在发动机燃烧室后端部，并通过紧固螺栓连接。并行考核试验装置的两个烧蚀试验段采用相同结构，并共用相同的燃烧室组件；其中，烧蚀试验段采用方形截面通道，烧蚀试验段可采用不同转折角，用以来研究不同粒子冲刷角度条件下绝热层烧蚀特性。绝热层试件位于烧蚀试验段的气流冲刷面凹槽部位，用于研究气流冲刷条件下绝热层试件的抗烧蚀特性。燃烧室后封头安装有燃气导流石墨部件，以减少燃气气流的径向损失。并行考核试验装置结构简单，安装使用捷便，可有效地开展绝热层材料的筛选、考核验证试验研究。

Description

一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置

技术领域

本发明涉及固体发动机绝热材料烧蚀技术领域，具体地说，涉及一种用于固体火箭发动机绝热层抗烧蚀性能的对比考核试验装置。

背景技术

固体火箭发动机使用的推进剂为了提高比冲和能量特性，通常加入金属粉末，如AL粉。金属粉末的加入一方面增加了推进剂的能量特性，并起到抑制燃烧不稳定的现象，但同时燃烧产物中会含有高温金属氧化物，两相流会对发动机绝热层的抗烧蚀性能带来较大考验。

对绝热材料开展烧蚀试验是进行烧蚀性能研究的必要手段，如氧乙炔烧蚀试验、模拟发动机烧蚀试验等。国军标GJB 323A-1996给出了氧乙炔烧蚀试验方法，该试验方法操作简单，但很难真实模拟固体发动机的高压、燃气组分以及粒子冲刷的特殊烧蚀环境，无法考核绝热材料的真实烧蚀性能。因此，为了真实模拟固体发动机环境，通常采用烧蚀发动机开展绝热层烧蚀性能考核研究。

在文献“固体火箭发动机内绝热层烧蚀率实验研究”(《推进技术》，1993(4):31-35)一文中，提出了一种绝热层烧蚀试验发动机，可真实反映实验发动机的烧蚀环境，主要包括燃烧室、低速试验段、变速试验段、高速试验段和喷管，将绝热层放置于不同位置可研究气流速度对材料烧蚀性能的影响，不足之处在于无法模拟过载条件下粒子冲刷对绝热层烧蚀性能的影响。文献“颗粒冲刷对绝热材料烧蚀影响的实验研究”(《推进技术》，2006,27(1):71－73)一文中，提出了一种模拟过载条件的绝热层烧蚀试验发动机，其包括燃气发生器、收敛通道、调节环、烧蚀段和喷管，通过改变烧蚀段的夹角来调节冲刷角度，该试验发动机主要用于研究颗粒浓度、速度、及冲刷角度的变化对绝热材料烧蚀性能的影响。发明专利CN201811106666.X中公开了一种“绝热层烧蚀试验的多功能模拟发动机”，该模拟发动机包括燃烧发生器、低速段、中速段、高速段、过载段和羽流段，可将试件安装在各个段位的内腔上，通过实验检测和了解各个段位的烧蚀现象，重点分析不同流速、粒子浓度对绝热层烧蚀性能的影响，该发动机可以有效研究不同位置气流速度对绝热层烧蚀性能的影响。

现有的发动机烧蚀试验多用于研究环境因素变化对绝热材料烧蚀性能的影响，在开展绝热材料烧蚀性能考核时会存在一定偏差。由于固体发动机的工作特点，不同次点火试验的发动机通常会存在一定的偏差，导致压力、温度、气流速度、粒子浓度的烧蚀环境的波动，对绝热材料的抗烧蚀性能评价造成影响。一般无法剥离试验环境差异对绝热材料抗烧蚀性能的影响，不利于绝热材料配方改进设计的考核评定。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括发动机燃烧室和并行烧蚀试验段，并行烧蚀试验段位于发动机燃烧室后端部并通过紧固螺栓连接，其特征在于所述发动机燃烧室包括燃烧室前封头、前封头顶杆、燃烧室筒段、燃烧室后封头、密封圈、推进剂、点火药包、点火线密封堵盖和压力传感器孔座，所述燃烧室筒段为中空筒状结构，两端设有连接法兰，沿法兰圆周均布有多个圆孔，燃烧室筒段两端分别与燃烧室前封头和燃烧室后封头通过螺栓组件固连，并采用密封圈密封，前封头顶杆一端与燃烧室前封头前端部螺纹连接，另一端与试车台承力墩相顶，燃烧室筒段上设有压力传感器孔座，用于安装压力传感器采集燃烧室压力，燃烧室筒段侧壁上设有点火线孔，并通过点火线密封堵盖配合固定密封，点火线密封堵盖由中心开孔螺栓和圆台橡胶组成，通过螺栓将圆台橡胶压紧实现密封，点火药包点火线由燃烧室筒段引出，并采用点火线密封堵盖进行密封固定；

所述并行烧蚀试验段包括烧蚀试验段、绝热层试件、石墨喷管和喷管固定座，两组烧蚀试验段、绝热层试件、石墨喷管和喷管固定座采用相同几何结构，其中，烧蚀试验段的转折角为20度，烧蚀试验段为方形截面通道，绝热层试件位于烧蚀试验段的气流冲刷面凹槽部位，燃烧室后封头前部安装燃气导流石墨部件，以减少燃气气流的径向损失；

所述燃烧室后封头对称设置两组结构相同的燃气出口分支，其分别与两组结构相同的烧蚀试验段固连，两组烧蚀试验段的另一端分别安装相同结构的石墨喷管，并通过喷管固定座安装固定，烧蚀试验段与燃烧室后封头、喷管固定座采用螺栓组件固连，并采用密封圈密封。

所述烧蚀试验段、绝热层试件、喷管固定座以燃烧室后封头中轴线对称安装，且燃烧室后封头与燃烧室筒段、燃烧室前封头、前封头顶杆同轴安装。

所述燃烧室前封头、燃烧室筒段、燃烧室后封头、烧蚀试验段、喷管固定座均采用45^#钢加工；密封圈为硅橡胶材料。

有益效果

本发明提出的一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置，由发动机燃烧室和并行烧蚀试验段组成，并行烧蚀试验段位于发动机燃烧室后端部并通过紧固螺栓连接。并行考核试验装置的两个烧蚀试验段采用相同结构，并共用相同的燃烧室组件。其中，烧蚀试验段采用方形截面通道，烧蚀试验段可采用不同转折角，用以来研究不同粒子冲刷角度条件下绝热层烧蚀特性。绝热层试件位于烧蚀试验段的气流冲刷面凹槽部位，用于研究气流冲刷条件下绝热层试件的抗烧蚀特性。燃烧室后封头安装有燃气导流石墨部件，以减少燃气气流的径向损失。试验装置结构简单，安装使用方便，可有效地开展绝热层材料的筛选及考核验证试验研究。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置作进一步详细说明。

图1为本发明固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置结构示意图。

图2为本发明考核试验装置的燃烧室后封头侧视图。

图3为本发明考核试验装置的烧蚀试验段和绝热层试件截面视图。

图4为本发明考核试验装置点火试车时的燃烧室压力曲线。

图中

1.前封头顶杆 2.燃烧室前封头 3.推进剂 4.燃烧室筒段 5.点火线密封堵盖

6.点火药包 7.压力传感器孔座 8.密封圈 9.导流石墨 10.燃烧室后封头

11.烧蚀试验段 12.绝热层试件 13.石墨喷管 14.喷管固定座

具体实施方式

本实施例是一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置。

参阅图1、图2、图3，本实施例固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置的两个烧蚀试验段采用相同结构，并共用相同的燃烧室组件，保证两个烧蚀试验段具有相同的烧蚀环境，进而对不同绝热材料的抗烧蚀特性展开直观对比研究；考核装置结构简单，安装使用方便，可有效开展绝热层材料的筛选及考核验证试验。

本实施例固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置，由发动机燃烧室和并行烧蚀试验段组成，并行烧蚀试验段位于发动机燃烧室后端部并通过紧固螺栓连接。其中，发动机燃烧室包括燃烧室前封头2、前封头顶杆1、燃烧室筒段4、燃烧室后封头10、推进剂3、点火药包6，燃烧室筒段4为中空筒状，燃烧室筒段4两端设有连接法兰，燃烧室筒段4两端分别与燃烧室前封头2和燃烧室后封头10通过螺栓组件和法兰固连，并采用密封圈8进行密封。前封头顶杆1与燃烧室前封头2前端通过螺纹连接，前封头顶杆1与试车台承力墩相顶。

燃烧室筒段4内装有推进剂药柱3和点火药包6，点火药包6位于推进剂药柱中心位置旁。点火药包6的导线穿过燃烧室筒段4与点火电源连接，点火药包6的导线穿过燃烧室筒段4后采用点火线密封堵盖5进行固定密封。点火线密封堵盖5由中心开孔螺栓和圆台橡胶两部分组成，通过螺栓将橡胶压紧实现密封。通过点火药包6点燃推进剂药柱3产生燃气气流。燃烧室筒段4外表面设置有压力传感器孔座7，用于安装压力传感器，在发动机工作过程中实时采集燃烧室压力曲线。

燃烧室后封头10包括两个对称分布的气流分支通道，并在燃烧室内侧安装导流石墨9，保证燃气气流平稳进入燃气通道，减少燃气气流的径向损失。燃烧室后封头10的两个气流通道分别连接两组并行的烧蚀试验段。燃烧室后封头10的两组气流通道分别与两组烧蚀试验段11相连，并依次安装石墨喷管13和喷管固定座14。其中，烧蚀试验段11与燃烧室后封头10和喷管固定座14采用螺栓组件连接，并通过密封圈进行密封，石墨喷管13通过喷管固定座14进行安装定位与固定。绝热层试件12安装在烧蚀试验段11的气流冲刷面凹槽。

发动机工作时，点火器通电点燃点火药包6后产生高温燃气，并进一步点燃推进剂3，产生高温高压燃气。推进剂3燃烧产生的燃气气流经燃烧室后封头10均匀地进入两组烧蚀试验段11，并对绝热层试件12进行烧蚀，从石墨喷管13排出。试验结束后，拆下喷管固定座14和石墨喷管13，并分别取出两组对比的绝热层试件12，对绝热层试件12进行测量厚度、表面微观形貌电镜分析，获得绝热层试件12的烧蚀率、炭化层微观形貌，直观对比两组绝热层试件12的抗烧蚀性能。

实施例

本实施例中，加工并安装固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置；其中，前封头顶杆1、燃烧室前封头2、燃烧室筒段4、燃烧室后封头10、烧蚀试验段11、喷管固定座14分别采用45^#钢加工成型，密封圈8采用硅橡胶材料。推进剂3为三组元丁羟推进剂，采用端面燃烧圆柱形药柱，其余面包覆，其药柱直径为200mm，长度为67.2mm，包覆层厚度为3mm。

燃烧室筒段4长度为180mm，外径为230mm，内径为210mm，燃烧室筒段4两端法兰沿圆周均匀开孔12个，孔径为Φ13mm，其与燃烧室筒段4连接的燃烧室前封头2和燃烧室后封头10的法兰沿圆周均匀开有12个圆孔，孔径为Φ13mm。燃烧室筒段4与燃烧室前封头2和燃烧室后封头10之间的密封圈8采用O型圈为230mm×5.3mm规格。点火药包6采用6#小粒径黑火药，质量为45g。两组烧蚀试验段11、绝热层试件12、石墨喷管13和喷管固定座14采用相同几何结构。其中，烧蚀试验段11的转折角为20度，其气流通道为40mm*40mm截面的方形通道；烧蚀试验段11与燃烧室后封头10端部法兰各均布开有6个圆孔，孔径为Φ11mm，烧蚀试验段11与燃烧室后封头10通过法兰、螺栓连接，密封采用O型圈65mm×3.55mm规格；烧蚀试验段11与喷管固定座14采用法兰连接，连接法兰各均匀开有6个圆孔，孔径为Φ11mm，密封采用O型圈85mm×3.55mm规格；石墨喷管13喉部直径为9mm；绝热层试件12厚度为9mm，分别采用两组不同配方的三元乙丙橡胶绝热层材料。

将固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置安装完成后，连接点火线与安装压力传感器，检测无误后进行点火试车。

实验结束后，待实验装置冷却至常温后，拆卸并清理实验装置，取出两组对比的绝热层试件12；采用测厚仪对两组绝热层试件12进行厚度测量，并与烧蚀试验前绝热层厚度对比，计算绝热层的线烧蚀率；采用扫描电镜观察两组绝热层试件12的微观炭化结构，直观对比考核两组绝热层试件12的抗烧蚀性能。

图4为固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置点火试车时的燃烧室压力曲线，下表为两种不同配方三元乙丙橡胶绝热层烧蚀试验所测数据，其中配方A为常规三元乙丙橡胶绝热层，配方B为添加POSS，即笼形聚倍半硅氧烷的三元乙丙橡胶绝热层，通过直观对比:配方B绝热层的抗烧蚀性能优于配方A绝热层。

	线烧蚀率	炭化烧蚀率	烧蚀前平均厚度	烧蚀后平均厚度
					配方A绝热层	0.12mm/s	0.206mm/s	9.03mm	8.17
配方B绝热层	0.095mm/s	0.205mm/s	8.96mm	8.28

Claims (3)

1.一种固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置，包括发动机燃烧室和并行烧蚀试验段，并行烧蚀试验段位于发动机燃烧室后端部并通过紧固螺栓连接，其特征在于:所述发动机燃烧室包括燃烧室前封头、前封头顶杆、燃烧室筒段、燃烧室后封头、密封圈、推进剂、点火药包、点火线密封堵盖和压力传感器孔座，所述燃烧室筒段为中空筒状结构，两端设有连接法兰，沿法兰圆周均布有多个圆孔，燃烧室筒段两端分别与燃烧室前封头和燃烧室后封头通过螺栓组件固连，并采用密封圈密封，前封头顶杆一端与燃烧室前封头前端部螺纹连接，另一端与试车台承力墩相顶，燃烧室筒段上设有压力传感器孔座，用于安装压力传感器采集燃烧室压力，燃烧室筒段侧壁上设有点火线孔，并通过点火线密封堵盖配合固定密封，点火线密封堵盖由中心开孔螺栓和圆台橡胶组成，通过螺栓将圆台橡胶压紧实现密封，点火药包点火线由燃烧室筒段引出，并采用点火线密封堵盖进行密封固定；

所述并行烧蚀试验段包括烧蚀试验段、绝热层试件、石墨喷管和喷管固定座，两组烧蚀试验段、绝热层试件、石墨喷管和喷管固定座采用相同几何结构，其中，烧蚀试验段的转折角为20度，烧蚀试验段为方形截面通道，绝热层试件位于烧蚀试验段的气流冲刷面凹槽部位，燃烧室后封头前部安装燃气导流石墨部件，以减少燃气气流的径向损失；

所述燃烧室后封头对称设置两组结构相同的燃气出口分支，其分别与两组结构相同的烧蚀试验段固连，两组烧蚀试验段的另一端分别安装相同结构的石墨喷管，并通过喷管固定座安装固定，烧蚀试验段与燃烧室后封头、喷管固定座采用螺栓组件固连，并采用密封圈密封。

2.根据权利要求1所述的固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置，其特征在于:所述烧蚀试验段、绝热层试件、喷管固定座以燃烧室后封头中轴线对称安装，且燃烧室后封头与燃烧室筒段、燃烧室前封头、前封头顶杆同轴安装。

3.根据权利要求1所述的固体发动机绝热层烧蚀性能并行考核试验装置，其特征在于:所述燃烧室前封头、燃烧室筒段、燃烧室后封头、烧蚀试验段、喷管固定座均采用45^#钢加工；密封圈为硅橡胶材料。

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