CN112147268B - 一种无损制备固体推进剂熄火表面的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无损制备固体推进剂熄火表面的装置与方法，包括高压燃烧室、分别连在高压燃烧室上的进气管和排气管、设在高压燃烧室上的压力传感器、设在高压燃烧室内的熄火单元、分别与熄火单元连接的冷却液供给源和点火线；进气管连接氮气源；熄火单元包括样品台、设在样品台上的冷却平台、设在冷却平台上的铜垫片、垂直设在样品台并位于铜垫片左右两侧的正接线柱和负接线柱；冷却平台内设有冷却腔，冷却腔下方设有冷却液出口和冷却液进口。本发明能实现固体推进剂表面的无损熄灭，同时本方法熄火效率高，原则上可以实现各种型号的固体推进剂燃面的有效熄灭，进而为研究固体推进剂相应的燃烧机理提供夯实的基础。

Description

一种无损制备固体推进剂熄火表面的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种原则上能够适用于所有固体推进剂无损熄灭的装置和方法，主要用于制备固体推进剂无损熄火表面。

背景技术

在研究推进剂燃烧的燃烧机理过程中，固体催化剂熄火表面的制备和表征对探究在燃烧过程中推进剂的燃烧机理有重要的意义。固体推进剂的燃烧具有剧烈和不可控性，目前现有的熄火表面的获取一般采取突然降压、爆炸式喷射冷却剂、和铜台传热等熄火方法。发明专利CN201010531622.9，通过增压泵和高压气瓶对燃烧室进行冲压，使燃烧室达到一定的较高压力的初始压力，点火电源与高压开关电磁阀相连，推进剂点燃同时电磁阀打开快速熄火，同时由压力传感器及配套系统实时记录采集燃烧室压力变化曲线，利用光电传感器判断推进剂是否成功熄火。Bailey L G等在(Demonstration of All-SolidImpulse Control Concepts Using State-of-the-Art Solid PropellantFormulations，AIAA 7th Propulsion Joint Specialist Conference，1971.)文章中提出一种在固体推进剂旁设置一特定喷头，当推进剂燃烧到一定状态时开启喷头，将冷却剂爆炸式喷到推进剂燃面，使得固体推进剂短时间内迅速降温阻止推进剂的进一步燃烧以达到固体推进剂熄火的目的。上述两种方法虽然可以达到固体推进剂快速熄火的目的，但是在熄火过程中不可避免会造成推进剂的燃烧环境发生剧烈变化，在这个过程中可能会造成推进剂燃烧表面发生不可逆转的变化，所制备的熄火表面不能真实的反映出熄火表面的真实燃烧状态。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供一种无损制备固体推进剂熄火表面的装置与方法，以克服现有固体推进剂熄火装置和方法的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种无损制备固体推进剂熄火表面的装置，包括高压燃烧室、分别连在高压燃烧室上的进气管和排气管、设在高压燃烧室上的压力传感器、设在高压燃烧室内的熄火单元、分别与熄火单元连接的冷却液供给源和点火线；所述进气管连接氮气源；

所述熄火单元包括样品台、设在样品台上的冷却平台、设在冷却平台上的铜垫片、垂直设在样品台并位于铜垫片左右两侧的正接线柱和负接线柱；样品台安装在高压燃烧室下部以与高压燃烧室围成密闭腔体；

所述冷却平台内设有冷却腔，冷却腔下方设有冷却液出口和冷却液进口；冷却液出口连通有冷却液导出管，冷却液导出管向下贯穿样品台并穿出高压燃烧室；冷却液进口连通有冷却液导入管，冷却液导入管贯穿样品台并穿出高压燃烧室连接所述冷却液供给源；在高压燃烧室外的冷却液导入管上设有电磁阀；所述点火线连接正接线柱和负接线柱，且点火线伸出高压燃烧室。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述电磁阀、点火线和压力传感器均连接数据采集卡；数据采集卡位于高压燃烧室外部，且数据采集卡连接电脑；所述电磁阀能控制冷却平台冷却开关和点火时间。

具体的，所述高压燃烧室上设有窗口，窗口正对能置于铜垫片上的样品位置，窗口上安装有石英玻璃，以实现可视化的高压燃烧室；

石英玻璃厚度为2cm，石英玻璃边缘和窗口之间通过橡胶胶圈密封，实现高压燃烧室在0-20MPa条件下不漏气。

具体的，在进气管上设有进气阀，排气管上设有排气阀，通过调节进进气阀和排气阀维持高压燃烧室内的特定压力以探究固体推进剂的燃烧。

具体的，所述正接线柱和负接线柱通过电热丝与样品相连。

具体的，所述冷却平台为紫铜材质或其他导热性能好的材质；冷却平台为半径2cm的圆形平台，能承受20MPa以下的高压。

具体的，所述冷却平台和样品台之间设有绝热层。

具体的，所述铜垫片为紫铜垫片尺寸为2*2*0.05cm；铜垫片平稳放置在冷却平台，固体推进剂放置在铜垫片上，以实现熄火后的固体推进剂便捷取出；

所述冷却液供给源为液氮。

具体的，在高压燃烧室外的冷却液导入管上还连通有导管，导管上连接有氮气瓶；在导管上设有截止阀；导管和导入管的接口位于高压燃烧室和电磁阀之间。

一种无损制备固体推进剂熄火表面的方法，包括以下步骤：

步骤一：将所测固体推进剂切成长方体药柱，保证上下两个切面平整；

步骤二：将铜垫片平整放置在冷却平台上，将固体推进剂稳定放置在铜垫片上，将固体推进剂通过电热丝与正接线柱和负接线柱相连，利用万用表检测，保证正接线柱和负接线柱联通；将正接线柱和负接线柱与电压可调的直流电源相连；设定点火电压，直流电源开关由电脑开关程序控制；

步骤三：将样品台安装在高压燃烧室下部使熄火单元置于高压燃烧室的密闭腔体内，通过密封件使样品台与高压燃烧室密封，根据固体推进剂燃速预估固体推进剂在特定压力下的燃烧时间，设定电磁阀开关开启时间和正接线柱和负接线柱通电时间的关系；

步骤四：调节进气阀和排气阀，使燃烧室达到预定压力；启动直流电源通电开关，达到预定时间电磁阀开关启动，冷却液通过冷却液导入管进入冷却平台，冷却平台降温，同时使其上方铜垫片和固体推进剂快速降温，进而引发固体推进剂因快速失热而熄灭；

步骤五：通过窗口观察确定固体推进剂熄灭状态，关闭电磁阀，同时开启截止阀，使常温氮气通过导管迅速进入吹扫降温冷却平台，使冷却平台快速恢复常温状态。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明通过构建可控快速制冷平台，可以在不破坏燃烧环境和推进剂结构状态下使燃烧的由于固体推进剂急速失热而熄火，因此获得是无损的熄火燃烧表面，更能真实的反映出燃烧过程中燃面的结果变化。

同时由于本方法相对于一般的铜台熄火的方法，此方法平台的温度更低，失热速率更快，因此原则上适用于所有的固体推进剂。

本发明拓宽了固体推进剂熄火表面的适用范围，实现了固体推进剂熄火表面的无损制备，同时对固体推进剂的燃烧状态几乎没有影响。为研究固体推进剂相应的燃烧机理提供夯实的基础。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为熄火单元结构示意图；

图3为普通铜台(a)和本发明无损样品台(b)制备的某复合固体推进剂熄火表面。

附图标号含义：

1-高压燃烧室，2-进气管，3-排气管，4-压力传感器，5-冷却液供给源，6-点火线，7-数据采集卡，8-电脑，9-氮气源，10-样品台，11-冷却平台，12-铜垫片，13-正接线柱，14-负接线柱，15-冷却腔，16-冷却液导出管，17-冷却液导入管，18-电磁阀，19-窗口，20-进气阀，21-排气阀，22-导管，23-氮气瓶，24-截止阀，25-样品固体推进剂，26-密封件。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供一种无损制备固体推进剂熄火表面的装置，包括高压燃烧室1、分别连在高压燃烧室1上的进气管2和排气管3、设在高压燃烧室1上的压力传感器4、设在高压燃烧室1内的熄火单元、分别与熄火单元连接的冷却液供给源5和点火线6、数据采集卡7以及与数据采集卡7连接的电脑8；进气管2连接氮气源9。

熄火单元包括样品台10、设在样品台10上的冷却平台11、设在冷却平台11上的铜垫片12、垂直设在样品台10并位于铜垫片12左右两侧的正接线柱13和负接线柱14；样品台10安装在高压燃烧室1下部以与高压燃烧室1围成密闭腔体。

冷却平台11内设有冷却腔15，冷却腔下方设有冷却液出口和冷却液进口；冷却液出口连通有冷却液导出管16，冷却液导出管16向下贯穿样品台10并穿出高压燃烧室1；冷却液进口连通有冷却液导入管17，冷却液导入管17贯穿样品台10并穿出高压燃烧室1连接冷却液供给源5；在高压燃烧室1外的冷却液导入管17上设有电磁阀18，电磁阀18连接数据采集卡7；点火线6连接正接线柱13和负接线柱14，且点火线6伸出高压燃烧室1连接数据采集卡7；压力传感器4连接至数据采集卡7。

电磁阀18、点火线6和压力传感器4均连接数据采集卡7；数据采集卡7位于高压燃烧室1外部，且数据采集卡7连接电脑8；所述电磁阀18能控制冷却平台11冷却开关和点火时间。

高压燃烧室1上设有窗口19，窗口19正对能置于铜垫片12上的样品位置，窗口19上安装有石英玻璃，以实现可视化的高压燃烧室1；高压燃烧室1为特种不锈钢材质；石英玻璃厚度为2cm，石英玻璃边缘和窗口19之间通过橡胶胶圈密封，实现高压燃烧室1在0-20MPa条件下不漏气。

在进气管2上设有进气阀20，排气管3上设有排气阀21，通过调节进进气阀20和排气阀21维持高压燃烧室1内的特定压力以探究固体推进剂的燃烧。

正接线柱13和负接线柱14通过电热丝与样品相连；通过程序开关设置实现固体推进剂的稳定点火。

冷却平台11为紫铜材质或其他导热性能好的金或银等材质；冷却平台11为半径2cm的圆形平台，能承受20MPa以下的高压。

冷却平台11和样品台10之间设有绝热层。

铜垫片12为紫铜垫片也适用于其他导热性能好的物质例如：金，银等，其尺寸为2*2*0.05cm；铜垫片12平稳放置在冷却平台11，固体推进剂放置在铜垫片12上，以实现熄火后的固体推进剂便捷取出；

冷却液供给源5为液氮-196℃，适用于其他低温液体或者气体例如：低温乙醇-40℃，液氧-183℃等。

在高压燃烧室1外的冷却液导入管17上还连通有导管22，导管22上连接有氮气瓶23；在导管22上设有截止阀24；导管22和导入管17的接口位于高压燃烧室1和电磁阀18之间。

在样品台10和高压燃烧室1之间设有密封件26，通过密封件26使样品台10与高压燃烧室1密封。

实施例2：

在本实施例提供一种无损制备固体推进剂熄火表面的方法，包括以下步骤：

步骤一：将所测固体推进剂切成4*4*15mm的长方体药柱，保证上下两个切面平整；

步骤二：将铜垫片平整放置在冷却平台上，将固体推进剂稳定放置在铜垫片上，将固体推进剂通过电热丝与正接线柱和负接线柱相连，利用万用表检测，保证正接线柱和负接线柱联通；将正接线柱和负接线柱与电压可调的直流电源相连；设定点火电压，直流电源开关由电脑开关程序控制；

步骤三：将样品台安装在高压燃烧室下部使熄火单元置于高压燃烧室的密闭腔体内，通过密封件使样品台与高压燃烧室密封，根据固体推进剂燃速预估固体推进剂在特定压力下的燃烧时间，设定电磁阀开关开启时间和正接线柱和负接线柱通电时间的关系；

步骤四：调节进气阀和排气阀，使燃烧室达到预定压力；启动直流电源通电开关，达到预定时间电磁阀开关启动，冷却液通过冷却液导入管进入冷却平台，冷却平台降温，同时使其上方铜垫片和固体推进剂快速降温，进而引发固体推进剂因快速失热而熄灭；

步骤五：通过窗口观察确定固体推进剂熄灭状态，关闭电磁阀，同时开启截止阀，使常温氮气通过导管迅速进入吹扫降温冷却平台，使冷却平台快速恢复常温状态。

通过上述实验方案利用常规铜台熄火和本发明熄火平台对某复合固体推进剂进行熄火实验。实验结果如图3所示。可以看出利用常规铜台熄火(图3a)，由于复合固体推进剂的燃烧相对较快，燃烧相对比较剧烈，因此可以看出在利用常规铜台进行熄火，在熄火铜片上仅能看到少许残渣，不能获取有效的固体推进剂熄火表面。而利用无损熄火平台(图3b)可以实现此固体推进剂有效熄火。从熄火垫片上可以看出，熄火表面相对比较平整。可以看到明显的燃烧熄火层。

Claims (7)

1.一种无损制备固体推进剂熄火表面的装置，其特征在于，包括高压燃烧室（1）、分别连在高压燃烧室（1）上的进气管（2）和排气管（3）、设在高压燃烧室（1）上的压力传感器（4）、设在高压燃烧室（1）内的熄火单元、分别与熄火单元连接的冷却液供给源（5）和点火线（6）；所述进气管（2）连接氮气源（9）；

所述熄火单元包括样品台（10）、设在样品台（10）上的冷却平台（11）、设在冷却平台（11）上的铜垫片（12）、垂直设在样品台（10）并位于铜垫片（12）左右两侧的正接线柱（13）和负接线柱（14）；样品台（10）安装在高压燃烧室（1）下部以与高压燃烧室（1）围成密闭腔体；

所述冷却平台（11）内设有冷却腔（15），冷却腔下方设有冷却液出口和冷却液进口；冷却液出口连通有冷却液导出管（16），冷却液导出管（16）向下贯穿样品台（10）并穿出高压燃烧室（1）；冷却液进口连通有冷却液导入管（17），冷却液导入管（17）贯穿样品台（10）并穿出高压燃烧室（1）连接所述冷却液供给源（5）；在高压燃烧室（1）外的冷却液导入管（17）上设有电磁阀（18）；所述点火线（6）连接正接线柱（13）和负接线柱（14），且点火线（6）伸出高压燃烧室（1）；

所述电磁阀（18）、点火线（6）和压力传感器（4）均连接数据采集卡（7）；数据采集卡（7）位于高压燃烧室（1）外部，且数据采集卡（7）连接电脑（8）；所述电磁阀（18）能控制冷却平台（11）冷却开关和点火时间；

在进气管（2）上设有进气阀（20），排气管（3）上设有排气阀（21），通过调节进气阀（20）和排气阀（21）维持高压燃烧室（1）内的特定压力以探究固体推进剂的燃烧；

在高压燃烧室（1）外的冷却液导入管（17）上还连通有导管（22），导管（22）上连接有氮气瓶（23）；在导管（22）上设有截止阀（24）；导管（22）和冷却液导入管（17）的接口位于高压燃烧室（1）和电磁阀（18）之间。

2.如权利要求1所述的无损制备固体推进剂熄火表面的装置，其特征在于，所述高压燃烧室（1）上设有窗口（19），窗口（19）正对能置于铜垫片（12）上的样品位置，窗口（19）上安装有石英玻璃，以实现可视化的高压燃烧室（1）；

石英玻璃厚度为2cm，石英玻璃边缘和窗口（19）之间通过橡胶胶圈密封，实现高压燃烧室（1）在0-20MPa条件下不漏气。

3.如权利要求1所述的无损制备固体推进剂熄火表面的装置，其特征在于，所述正接线柱（13）和负接线柱（14）通过电热丝与样品相连。

4.如权利要求1所述的无损制备固体推进剂熄火表面的装置，其特征在于，所述冷却平台（11）为紫铜材质或其他导热性能好的材质；

冷却平台（11）为半径2cm的圆形平台，能承受20MPa以下的高压。

5.如权利要求1所述的无损制备固体推进剂熄火表面的装置，其特征在于，所述冷却平台（11）和样品台（10）之间设有绝热层。

6.如权利要求1所述的无损制备固体推进剂熄火表面的装置，其特征在于，所述铜垫片（12）为紫铜垫片尺寸为2*2*0.05cm；铜垫片（12）平稳放置在冷却平台（11），固体推进剂放置在铜垫片（12）上，以实现熄火后的固体推进剂便捷取出；

所述冷却液供给源（5）为液氮。

7.一种采用权利要求1至6任一权利要求所述的无损制备固体推进剂熄火表面的装置制备固体推进剂熄火表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将所测固体推进剂切成长方体药柱，保证上下两个切面平整；

步骤二：将铜垫片平整放置在冷却平台上，将固体推进剂稳定放置在铜垫片上，将固体推进剂通过电热丝与正接线柱和负接线柱相连，利用万用表检测，保证正接线柱和负接线柱联通；将正接线柱和负接线柱与电压可调的直流电源相连；设定点火电压，直流电源开关由电脑开关程序控制；

步骤三：将样品台安装在高压燃烧室下部使熄火单元置于高压燃烧室的密闭腔体内，通过密封件使样品台与高压燃烧室密封，根据固体推进剂燃速预估固体推进剂在特定压力下的燃烧时间，设定电磁阀开关开启时间和正接线柱和负接线柱通电时间的关系；

步骤四：调节进气阀和排气阀，使燃烧室达到预定压力；启动直流电源通电开关，达到预定时间电磁阀开关启动，冷却液通过冷却液导入管进入冷却平台，冷却平台降温，同时使其上方铜垫片和固体推进剂快速降温，进而引发固体推进剂因快速失热而熄灭；

步骤五：通过窗口观察确定固体推进剂熄灭状态，关闭电磁阀，同时开启截止阀，使常温氮气通过导管迅速进入吹扫降温冷却平台，使冷却平台快速恢复常温状态。

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