CN112526058A

CN112526058A - 小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置

Info

Publication number: CN112526058A
Application number: CN202011219696.9A
Authority: CN
Inventors: 梁导伦
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2040-11-04
Also published as: CN112526058B

Abstract

本发明公开了一种小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，包括：点火模块、压力燃烧室模块、高速摄影模块、供气模块和处理模块；所述压力燃烧室模块，包括燃烧室,设置在燃烧室的喷管以及带动所述喷管在燃烧室内移动的滑块；所述喷管用于固定固体推进剂药柱；在所述燃烧室内还设置有压力变送器和推力传感器；通过调整所述滑块与推力传感器的相对距离，实现固体推进剂药柱燃烧和推进性能的静态测试和动态测试；所述处理模块，用于根据有机玻璃罩内环境压力、滑块位移及固体推进剂药柱质量，对固体推进剂药柱的燃烧性能和推进性能进行计算。本发明体积小，一体化程度高，能高效、便捷、准确地实现固体推进剂药柱燃烧和推进性能的动态和静态测试。

Description

小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置

技术领域

本发明属于化学火箭推进技术领域，涉及一种燃烧和推进性能检测试验装置，特别涉及一种固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置。

背景技术

随着运载火箭、载人飞船和人造卫星等航天设备的小型化、轻量化和远空化发展，小推力固体推进剂也开始成为航天推进领域一个重要的技术分支。与传统的大型固体推进剂不同，小推力固体推进剂的体积小、质量轻、燃烧时间短、推力极限小，但燃速与推力变化速率快。因此，现有的大型化固体推进剂燃烧及性能检测装置难以满足小推力固体推进剂的测试需求，迫切需要寻找新的小型固体推进剂药柱燃速及推进性能检测方法。

通常，固体推进剂药柱的性能检测包括动态测试和静态测试两种模式。动态测试中，装填了固体推进剂药柱的发动机模块被提前放置于试车轨道中，测试过程中发动机模块在轨道中发生运动位移，推力性能指标通过对发动机模块运动的位移、时间、速度和加速度等运动参数计算得到；静态测试中，装填了固体推进剂药柱的发动机模块被固定于试车台中，测试过程中发动机模块保持固定不动，推力性能指标可通过推力传感器直接测量得到。由于常规大型化固体推进剂燃烧和推进性能测试对试验装置的材料和试验环境要求较高，因此动态测试和静态测试通常需要在两套试验装置上分别进行。此外，由于固体推进剂燃烧过程产生大量烟气，其性能检测通常只能在开放环境中进行，难以为测试提供不同的环境背景压力。对于推力峰值在500N以下的小推力推进剂，由于药柱体积、总放热量、总烟气量和推力峰值的同步减小，使得动态、静态测试试验装置的小型化、一体化，以及在压力环境中进行检测成为可能。为此，必须对试验装置的组成部件、空间结构进行优化调整，并重新选择适当的检测、控制设备和试验方法，以满足试验需求。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置。该装置解决了推力峰值在500N以下的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能测试困难的问题，同时，实现了动态、静态测试试验装置的小型化、一体化，并能为检测提供一定的压力环境。

技术方案：

一种小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，包括：点火模块、压力燃烧室模块、高速摄影模块、供气模块和处理模块；

所述压力燃烧室模块，包括燃烧室,设置在燃烧室的喷管以及带动所述喷管在燃烧室内移动的滑块；所述喷管用于固定固体推进剂药柱；在所述燃烧室内还设置有压力变送器和推力传感器，所述压力变送器用于实时监测压力燃烧室内的环境压力数值，所述推力传感器用于检测所述滑块滑动至与推力传感器受压面接触时产生的推力数值；通过调整所述滑块与推力传感器的相对距离，当滑块带动喷管与推力传感器的受压面接触时实现固体推进剂药柱燃烧和推进性能的静态测试，当滑块带动喷管远离推力传感器的受压面时实现固体推进剂药柱燃烧和推进性能的动态测试；

所述点火模块，用于点燃固定在喷管上的固体推进剂药柱；

所述高速摄影模块，用于在所述点火模块点然固体推进剂药柱时，同步对固体推进剂在喷管内点火燃烧不同时刻的燃面位置和滑块移动位置进行监测；

所述供气模块，用于对所述压力燃烧室进行充气加压；

所述处理模块，用于根据有机玻璃罩内环境压力、滑块位移及固体推进剂药柱质量，对固体推进剂药柱的燃烧性能和推进性能进行计算。

其中固体推进剂药柱的燃烧性能包括燃速和燃速压强指数；推进性能包括喷管运动的速度、加速度，燃烧产生的推力、冲量、比冲及密度比冲。

在所述压力燃烧室内设置有气垫滑轨，所述滑块在所述气垫滑轨上滑动。

在所述压力燃烧室上设置有背压供气阀，所述供气模块与背压供气阀连接用于对所述压力燃烧室进行充气加压。

所述气垫滑轨还包括滑轨供气阀，所述供气模块与该滑轨供气阀连接用于给气垫滑轨供气。

所述点火模块为激光点火模块。

所述激光点火模块包括一台半导体泵浦固体激光器和一台CO₂红外激光器，试验时按需切换激光器的种类，实现激光功率的调节和精度控制；两台激光器共用一个出射口。

在所述压力燃烧室上设置有一个用于点火的激光入射口，在该激光入射口设置有通过法兰固定在压力燃烧室上的硒化锌玻璃。

在所述压力燃烧室上还设置有一确保压力燃烧室内环境压力稳定在设定值附近的稳压阀。

所述喷管采用拉瓦式喷管，主体材质为耐高温水晶石英玻璃；所述燃烧室为有机玻璃罩，所述拉瓦式喷管安装于有机玻璃罩内部，通过喷管后座固定卡槽卡紧并保持水平放置；所述拉瓦式喷管用于装填固体推进剂药柱；喷管后座一侧设置有用于固定喷管的喷管固定卡槽，另一侧为用于与推力传感器的受压面接触的半球形结构；喷管后座安装于有机玻璃罩内滑块顶端并与滑块连接。

本发明用于固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测的试验装置，导轨采用气垫滑轨，水平安装于有机玻璃罩内滑轨支架上，气垫滑轨周身开有气孔，与滑轨供气阀连接，可通过气孔排出高压气体产生浮力抵消滑块重力，使滑块在气垫滑轨上方悬浮，从而减少滑块在气垫滑轨上滑动的摩擦阻力。

所述高速摄影模块设置有一架高速摄影仪，安装于有机玻璃罩正上方，其拍摄范围覆盖整个气垫滑轨正面，用于对固体推进剂在喷管内点火燃烧不同时刻的燃面位置和滑块移动位置进行监测，从而能够结合有机玻璃罩内环境压力、滑块位移、固体推进剂药柱质量等参数，对固体推进剂药柱的燃速、燃速压强指数，喷管运动的速度、加速度，燃烧产生的推力、冲量、比冲及密度比冲等性能指标进行计算。

所述供气模块包括两个高压气瓶和配套的减压阀；高压气瓶中灌装的气体种类可采用空气、氧气、氮气、氩气中的一种或混合气，两个高压气瓶经减压阀减压后分别与背压供气阀和滑轨供气阀连接，用于对有机玻璃罩和气垫滑轨进行供气；减压阀采用数字电控减压阀，用于对供气压力进行限制和调控。

所述控制存储模块包括服务器和同步触发开关；服务器采用塔式工作组服务器，与激光旋钮、高速摄影仪、压力变送器、推力传感器和减压阀连接，用于对上述各设备进行运行参数设置、启停控制、监测数据记录和存储；同步触发开关采用时间继电器开关，具备循环和延时触发功能，用于控制激光旋钮和高速摄影仪在不同循环和延时设置需求下的同步触发，确保设备运行安全。

为实现固体推进剂药柱的快速、精确、安全点火，激光旋钮的激光功率在0-400W范围内连续可调，其中0-50W功率范围内通过半导体泵浦固体激光器出射，50-400W功率范围内通过CO2红外激光器出射，激光功率精度控制误差不大于±1％，支持外部触发功能。

为方便高速摄影仪的快速、精确在线监测，并实现压力燃烧器模块的密封加压，有机玻璃罩具备良好的透光性、密封性和耐压性能，能承受0-1MPa的内部环境压力。

为方便高速摄影仪的快速、精确在线监测，并实现固体推进剂的安全燃烧，喷管具有良好的透光性和短时间耐高温性能，短时间最高耐温1600℃以上；喷管的长度、管径、壁厚、收敛比和扩张比等外形参数可根据实际试验需求在合理范围内进行适当调节，但单次装填的固体推进剂质量应不大于2g。

为实现对有机玻璃罩内的环境背景压力和固体推进剂燃烧产生推力的快速、精确在线监测，压力变送器和推力传感器应具有高精度和低响应时间；压力变送器的精度等级应不低于0.1级，响应时间不大于8ms，最高响应频率不低于2.4kHz；推力传感器的分辨率不低于1mN，响应时间不大于1ms，最高响应频率不低于1kHz。

为方便滑块在固体推进剂燃烧产生推力的作用下低阻力地滑动，气垫滑轨应能提供适当大小的浮力，确保滑块的悬浮高度范围0.5-1mm。

为实现对固体推进剂药柱在喷管内燃面位置和滑块移动位置的快速、精确在线监测，所述高速摄影仪全幅帧率不低于500fps，全幅分辨率不低于1696×1710像素，感光度ISO不低于1600，支持外部触发功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明体积小，一体化程度高，能高效、便捷、准确地实现固体推进剂药柱燃烧和推进性能的动态和静态测试；

2、本发明能为固体推进剂药柱的燃烧提供一定范围的环境背景压力，便于检测不同环境背景压力对药柱燃烧和推进性能的影响；

3、本发明采用激光旋钮对固体推进剂药柱进行点火，可实现激光功率和出射时间的精准调控，有效保障了点火过程的快速、精确、安全；

4、本发明采用气垫滑轨作为喷管的运动轨道，可有效减小运动过程中的摩擦力，确保动态测试中运动参数测量的准确性；

5、本发明采用弹簧活塞式稳压阀，可快速排出推进剂药柱燃烧产生的气体产物，维持有机玻璃罩内环境背景压力稳定；

6、本发明采用高精度压力变送器，可对推进剂药柱燃烧过程中环境背景压力的稳定性进行实时动态追踪；

7、本发明采用压阻式薄膜型压力传感器，并采用半球形喷管后座，可有效控制传感器受压面积和位置，保障了推进剂药柱推进性能静态测试的准确性；

8、本发明采用高速摄影仪对推进剂药柱在喷管中的燃烧和运动过程进行监测，可有效保障推进剂药柱燃烧特性动态和静态测试的准确性，以及推进剂药柱推进性能动态测试的准确性；

9、本发明采用服务器对各设备进行运行参数设置、启停控制、监测数据记录和存储，为实验操作和数据分析提供了极大便利；

10、本发明采用同步触发开关控制激光旋钮和高速摄影仪同步触发，可满足不同循环和延时设置需求，确保设备运行安全。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中的附图标记为：1激光旋钮；2硒化锌玻璃；3法兰；4同步触发开关；5稳压阀；6喷管；7滑块；8固体推进剂药柱；9高速摄影仪；10喷管后座；11气孔；12压力变送器；13推力传感器；14气垫滑轨；15有机玻璃罩；16滑轨支架；17泄压阀；18背压供气阀；19服务器；20高压气瓶；21减压阀；22滑轨供气阀。

具体实施方式

本发明利用激光旋钮对压力燃烧室内的固体推进剂药柱进行点火，根据滑块放置的初始位置不同，可利用高速摄影仪、推力传感器等设备对推进剂药柱的燃烧和推进性能进行动态或静态测试，并对装置中主要部件进行集中控制和数据存储。

下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明。

如图1所示，用于固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测的试验装置，包括激光点火模块、压力燃烧室模块、高速摄影模块、供气模块和控制存储模块。

激光点火模块设置有激光旋钮1，该激光旋钮1通过整合光路系统，集成了一台半导体泵浦固体激光器和一台CO₂红外激光器，试验时按需切换激光器的种类，可实现激光功率的调节和精度控制；激光旋钮1中两台激光器共用一个出射口，为水平向右侧出射。

压力燃烧室模块包括有机玻璃罩15、背压供气阀18、滑轨供气阀22、泄压阀17、法兰3、硒化锌玻璃2、稳压阀5、压力变送器12、喷管6、喷管后座10、推力传感器13、滑块7、气垫滑轨14及滑轨支架16；有机玻璃罩15为卧式的圆柱体结构，放置于激光旋钮1右侧，主体材质为厚度均匀的耐压有机玻璃，主要起密封作用；背压供气阀18采用针阀，安装于有机玻璃罩15底部，用于对压力燃烧室进行充气加压；滑轨供气阀22采用针阀，安装于有机玻璃罩15左侧，与气垫滑轨14左端相连，用于对气垫滑轨14进行供气；泄压阀17采用针阀，安装于有机玻璃罩15底部，用于在检测完成后对压力燃烧室进行泄压；法兰3位于有机玻璃罩15左侧、滑轨供气阀22上方，用于将硒化锌玻璃2固定于有机玻璃罩15侧身，同时法兰3可拆卸，拆卸后用作安装和拆卸喷管6的通道；硒化锌玻璃2位于法兰3中心，经由法兰3固定与有机玻璃罩15侧身，应具有高激光透过率，安装后用作激光的入射窗口；稳压阀5采用弹簧活塞式稳压阀，安装于有机玻璃罩15顶端，稳压阀5阈值大小可调，用于排出固体推进剂燃烧产生的大量气体产物，抵消燃烧过程中的压力波动，确保压力燃烧室内环境压力稳定在设定值附近；压力变送器12采用压阻式扩散硅变送器，安装于有机玻璃罩15顶端，用于实时监测压力燃烧室内的环境背景压力数值；喷管6采用拉瓦式喷管，主体材质为耐高温水晶石英玻璃，安装于有机玻璃罩15内部，通过喷管后座10固定卡槽卡紧并保持水平放置，用于装填固体推进剂药柱，喷管6喉部一侧向左，轴心位置与硒化锌玻璃2中心、激光出射口平齐，确保激光出射后能正面辐照在固体推进剂药柱表面；喷管后座10主体材质采用不锈钢，左面设置有喷管6固定卡槽，右面为半球形结构，安装于有机玻璃罩15内滑块7顶端并与滑块7连接，高度可调，用于固定并调节喷管6水平高度，使喷管6轴心位置满足前述要求；推力传感器13采用压阻式薄膜型压力传感器，安装于有机玻璃罩15内右侧，其受压面中心与喷管后座10半球体外球面中心平齐，用于检测滑块7滑动至气垫滑轨14右侧使喷管后座10与推力传感器13受压面接触时产生的推力数值；滑块7采用铝材，与喷管后座10底部连接并放置于有机玻璃罩15内气垫滑轨14上方，可在气垫滑轨14上方沿左右方向低阻力滑动；气垫滑轨14采用铝材，水平安装于有机玻璃罩15内滑轨支架16上，气垫滑轨14周身开有气孔，左侧与滑轨供气阀21连接，可通过气孔排出高压气体产生浮力抵消滑块7重力，使滑块7在气垫滑轨14上方悬浮，从而减少滑块7在气垫滑轨14上滑动的摩擦阻力。

高速摄影模块设置有一架高速摄影仪9，安装于有机玻璃罩15正上方，其拍摄范围覆盖整个气垫滑轨14正面，用于对固体推进剂在喷管6内点火燃烧不同时刻t的燃面位置l和滑块7移动位置进行监测，从而能够结合有机玻璃罩15内环境压力P、滑块7位移L、固体推进剂药柱质量m等参数，对固体推进剂药柱的燃速v_c、燃速压强指数n，喷管6运动的速度v、加速度a，燃烧产生的推力F、冲量I、比冲I_sp及密度比冲I_dsp等性能指标进行计算。其中

F＝ma (5)

I＝∫Fdt (6)

I_dsp＝ρI_sp (8)

式中，b为常数系数；

为推进剂药柱平均燃速；ρ为推进剂药柱密度。

供气模块包括两个高压气瓶20和配套的减压阀21；高压气瓶20中灌装的气体种类可采用空气、氧气、氮气、氩气中的一种或混合气，两个高压气瓶20经减压阀21减压后分别与背压供气阀18和滑轨供气阀22连接，用于对有机玻璃罩15和气垫滑轨14进行供气；减压阀21采用数字电控减压阀，用于对供气压力进行限制和调控。

控制存储模块包括服务器19和同步触发开关4；服务器19采用塔式工作组服务器，与激光旋钮1、高速摄影仪9、压力变送器12、推力传感器13和减压阀21连接，用于对上述各设备进行运行参数设置、启停控制、监测数据记录和存储；同步触发开关4采用时间继电器开关，具备循环和延时触发功能，用于控制激光旋钮1和高速摄影仪9在不同循环和延时设置需求下的同步触发，确保设备运行安全。

本发明的工作原理为：

1、动态测试

试验时，提前将压力燃烧室上的法兰3和硒化锌玻璃2拆卸下；将待测的固体推进剂药柱装填在喷管6内后固定到喷管后座10上的卡槽中，并将与喷管后座10连接的滑块7放置到气垫滑轨14左端；通过调节喷管后座10高度，使喷管6水平高度与硒化锌玻璃2中心、激光出射口平齐；重新安装法兰3和硒化锌玻璃2，使压力燃烧室密封；开启服务器19，通过服务器19检查激光旋钮1、高速摄影仪9、压力变送器12和减压阀21等设备状态，确认无异常后开启压力变送器12对压力燃烧室内环境压力进行监测；调节稳压阀5阈值至设定值，关闭泄压阀17，开启高压气瓶20与减压阀21，调节背压供气阀18为压力燃烧室充压设定值，同时调节滑轨供气阀22使滑块7在气垫滑轨14上悬浮。

依次开启激光旋钮1和高速摄影仪9进入等待外部触发模式，通过服务器19设置激光功率、拍摄帧率、拍摄分辨率、循环次数和延时长度等参数；按下同步触发开关4对固体推进剂药柱进行点火，通过服务器19观察并记录推进剂药柱燃烧过程喷管6中的燃面位置和滑块7位移等，直至推进剂药柱燃尽。

依次关闭激光旋钮1、高速摄影仪9、背压供气阀18、滑轨供气阀22、高压气瓶20和减压阀22等设备和阀门，开启泄压阀17对压力燃烧室进行泄压；关闭压力变送器12，拆卸法兰3和硒化锌玻璃2，取出喷管6，对喷管6、稳压阀5和有机玻璃罩15等部件进行清洗维护；最后利用服务器19对试验数据进行存储和分析。

2、静态测试

试验时，提前将压力燃烧室上的法兰3和硒化锌玻璃2拆卸下；将待测的固体推进剂药柱装填在喷管6内后固定到喷管后座10上的卡槽中，并将与喷管后座10连接的滑块7放置到气垫滑轨14右端，与推力传感器13的受压面接触；通过调节喷管后座10高度，使喷管6水平高度与硒化锌玻璃2中心、激光出射口平齐；重新安装法兰3和硒化锌玻璃2，使压力燃烧室密封；开启服务器19，通过服务器19检查激光旋钮1、高速摄影仪9、压力变送器12、推力传感器13和减压阀21等设备状态，确认无异常后开启压力变送器12对压力燃烧室内环境压力进行监测；调节稳压阀5阈值至设定值，关闭泄压阀17，开启高压气瓶20与减压阀21，调节背压供气阀18为压力燃烧室充压设定值，同时调节滑轨供气阀22使滑块7在气垫滑轨14上悬浮。

依次开启激光旋钮1和高速摄影仪9进入等待外部触发模式，通过服务器19设置激光功率、拍摄帧率、拍摄分辨率、循环次数和延时长度等参数；开启推力传感器13，并按下同步触发开关4对固体推进剂药柱进行点火，通过服务器19观察并记录推进剂药柱燃烧过程喷管6中的燃面位置和产生的推力信号等，直至推进剂药柱燃尽。

依次关闭激光旋钮1、高速摄影仪9、推力传感器13、背压供气阀18、滑轨供气阀22、高压气瓶20和减压阀22等设备和阀门，开启泄压阀17对压力燃烧室进行泄压；关闭压力变送器12，拆卸法兰3和硒化锌玻璃2，取出喷管6，对喷管6、稳压阀5和有机玻璃罩15等部件进行清洗维护；最后利用服务器19对试验数据进行存储和分析。

试验过程中操作人员应做好相应的安全防护，包括高温防护、高压防护、用电安全防护、有毒有害气体防护、易燃易爆品防护等。

Claims

1.一种小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，包括：点火模块、压力燃烧室模块、高速摄影模块、供气模块和处理模块；

所述点火模块，用于点燃固定在喷管上的固体推进剂药柱；

所述供气模块，用于对所述压力燃烧室进行充气加压；

2.根据权利要求1所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，其中固体推进剂药柱的燃烧性能包括燃速和燃速压强指数；推进性能包括喷管运动的速度、加速度，燃烧产生的推力、冲量、比冲及密度比冲。

3.根据权利要求1所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，在所述压力燃烧室内设置有气垫滑轨，所述滑块在所述气垫滑轨上滑动。

4.根据权利要求1所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，在所述压力燃烧室上设置有背压供气阀，所述供气模块与背压供气阀连接用于对所述压力燃烧室进行充气加压。

5.根据权利要求3所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，所述气垫滑轨还包括滑轨供气阀，所述供气模块与该滑轨供气阀连接用于给气垫滑轨供气。

6.根据权利要求1所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，所述点火模块为激光点火模块。

7.根据权利要求6所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，所述激光点火模块包括一台半导体泵浦固体激光器和一台CO₂红外激光器，试验时按需切换激光器的种类，实现激光功率的调节和精度控制；两台激光器共用一个出射口。

8.根据权利要求7所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，在所述压力燃烧室上设置有一个用于点火的激光入射口，在该激光入射口设置有通过法兰固定在压力燃烧室上的硒化锌玻璃。

9.根据权利要求1所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，在所述压力燃烧室上还设置有一确保压力燃烧室内环境压力稳定在设定值附近的稳压阀。

10.根据权利要求1所述的小推力固体推进剂药柱燃烧及推进性能检测试验装置，其特征在于，所述喷管采用拉瓦式喷管，主体材质为耐高温水晶石英玻璃；所述燃烧室为有机玻璃罩，所述拉瓦式喷管安装于有机玻璃罩内部，通过喷管后座固定卡槽卡紧并保持水平放置；所述拉瓦式喷管用于装填固体推进剂药柱；喷管后座一侧设置有用于固定喷管的喷管固定卡槽，另一侧为用于与推力传感器的受压面接触的半球形结构；喷管后座安装于有机玻璃罩内滑块顶端并与滑块连接。