CN113153579B - 一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，属于固体火箭发动机技术领域。脉冲触发器采用每段推进剂单独配套药筒、推进剂在药筒内贴壁浇注、药筒之间螺纹连接的装药形式，遵循脉冲药盒盛装脉冲药并在药筒间螺纹连接之前安放其中、最后药筒盖和药筒螺钉连接的设计方式，在装药时，每段推进剂贴壁浇注在其单独配套的药筒内形成整体、没有缝隙，药筒与药筒螺纹连接、药筒与药筒盖螺钉连接且都安装有密封圈，密封性良好，连接之前将脉冲药盒安放于药筒与药筒、药筒与药筒盖的空腔位置使得脉冲源与推进剂整合为一体，推进剂的药量可以控制脉冲激励的时序，结构简单，易于维护。

Description

一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器
技术领域
本发明涉及一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，尤其涉及一种通过T型燃烧器测定固体火箭发动机不稳定燃烧压力耦合响应函数所使用的脉冲触发器，属于固体火箭发动机技术领域。
背景技术
随着航天运载火箭技术的发展，特别是对大推力火箭发动机需求的不断提高，众多运载火箭采用了大长径比、高装填、高能推进剂的固体火箭发动机。此类发动机的共同特点是，容易在流场内产生流动不稳定性，而且发动机燃烧稳定性随工作时间不断变差，在工作末期极易出现不稳定燃烧现象。固体火箭发动机不稳定燃烧又称为燃烧不稳定或振荡燃烧，是发动机研制过程中经常遇到的棘手问题之一，其基本特征是燃烧室压力、燃速以发动机内声腔固有频率作周期或近似周期性的变化。不稳定燃烧现象将会引起内弹道曲线异常，燃烧室内的压力振荡与发动机壳体耦合，会导致火箭的制导系统受到干扰，如果压力振荡幅值持续增大，严重时会引起发动机爆炸，导致灾难性后果。传统的理论知识与工程方法难以消除此类发动机内的不稳定燃烧现象，因此，只能针对复合推进剂压力耦合响应等关键增益机理开展深入研究。
压力耦合响应函数，是固体推进剂燃烧稳定性的一个特征量，也是预估固体火箭发动机燃烧稳定性的重要参数。自20世纪50年代以来，科研人员一直在研究燃烧响应理论，逐步弄清了一些不稳定燃烧的机理。但是，由于压力耦合响应函数是频率、推进剂组份、燃烧室平均压力等的函数，现有的理论无法准确的确定推进剂压力耦合响应函数，只能通过试验获得所需数据。通过几十年的研究，现已发展了多种测定压力耦合响应函数的方法，其中比较成熟且广泛采用的方法是T型燃烧器脉冲法。
利用T型燃烧器脉冲法测定压力耦合响应函数，实质上就是为T型燃烧器安装一个含两次脉冲的脉冲触发器。T型燃烧器脉冲法的工作原理是，在试件的燃烧过程中和燃烧刚刚结束时，各施加一次脉冲。由于试件增益小于阻尼，两次脉冲所激发的振荡均按指数规律衰减。第一次脉冲的衰减常数包含有燃面增益和声腔的阻尼，第二次脉冲只含有阻尼。如果假定燃烧期和燃烧结束后瞬间的阻尼是相同的，则燃面的增益系数可以通过两次脉冲的衰减常数计算出。因此，脉冲触发器的两次脉冲激励关键且重要。
目前，现有的与T型燃烧器配套工作的脉冲触发器，主要为外加的脉冲触发激励装置，存在系统复杂、操作繁琐、可靠度低等问题。中国发明专利申请“一种用于测定固体火箭发动机燃烧不稳定性的脉冲发生器”(专利申请号201910034135.2)提出了一种脉冲发生器,其采用药量调节脉冲大小、推进剂控制时序、将脉冲源与推进剂整合一体安置在T型燃烧器内部的设计方式，消除了常用的外加脉冲触发激励装置系统复杂、可靠度低的缺陷，简化了整体结构。
但是，该脉冲发生器及其结构，是通过将黑火药直接埋放在T型燃烧器推进剂中以此产生脉冲激励，该技术手段存在塑料包裹推进剂和黑火药激励源、推进剂装药与T型燃烧器密封不严、高温燃气从两者缝隙中侵入提前点燃黑火药产生脉冲激励而且增大推进剂燃烧面积、超出设计使得脉冲时序失效、T型燃烧器内压力猛增等一系列问题和不足。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的塑料包裹推进剂和黑火药激励源、推进剂装药与T型燃烧器密封不严，导致装药蹿火、脉冲时序失效和T型燃烧器内压力猛增等问题和不足，提出一种新的脉冲触发器，用于通过T型燃烧器脉冲法研究固体火箭发动机燃烧不稳定现象。
本发明的创新点在于：脉冲触发器采用每段推进剂单独配套药筒、推进剂在药筒内贴壁浇注、药筒之间螺纹连接，以及用O型圈密封的装药形式，遵循脉冲药盒盛装脉冲药并在药筒间螺纹连接之前安放其中、最后药筒盖和药筒螺钉连接且密封圈密封的设计方式。
本发明所述脉冲触发器在装药时，每段推进剂贴壁浇注在其单独配套的药筒内形成整体、没有缝隙，药筒与药筒螺纹连接、药筒与药筒盖螺钉连接且都安装有密封圈，组装简单、密封性良好，连接之前将脉冲药盒安放于药筒与药筒、药筒与药筒盖的空腔位置使得脉冲源与推进剂整合为一体，推进剂的药量可以控制脉冲激励的时序，结构简单。
脉冲触发器可以添加不同量、不同位置的脉冲源，实现不同需求的脉冲激励，脉冲药由脉冲药盒盛装，更加简单、安全和可靠。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，包括推进剂、脉冲药、脉冲药盒、药筒、药筒盖、O型圈、密封圈、内六角螺钉和一体化绝热层衬层。
各段推进剂分别贴壁浇注于各药筒之内，推进剂与药筒之间粘有一体化绝热层衬层，使其成为一个整体、没有缝隙。同时，绝热层保护药筒，使其免受高温烧蚀。
脉冲药由脉冲药盒盛装，形成封闭包装的脉冲源。
推进剂和脉冲源共同作为脉冲触发器的装药，采取“推进剂-脉冲源”交替方式布局，含有贴壁浇注推进剂的药筒之间、尾段药筒和药筒盖之间在连接前，需将盛装好脉冲药的脉冲药盒安放在药筒所预留空腔中，且推进剂、脉冲药盒和一体化绝热层衬层之间紧密无隙、完全接触。
药筒之间采用螺纹连接，且在密封槽内安装O型圈，从而保证药筒之间安装密封性良好。药筒和药筒盖之间采用螺钉连接，在密封槽内安装密封圈，从而保证药筒和药筒盖之间安装密封性良好。
脉冲触发器的最外侧端为杯状推进剂，杯口向外侧。杯状推进剂选用被测的火箭推进剂，在点火的瞬间起到建立初压的作用，其装药量根据建压效果和从点火到最邻近脉冲激励的时间间隔确定，该脉冲激励的时间间隔大小根据测定需求设定。
非最外侧的推进剂和脉冲源的具体数量，根据测定过程中所需脉冲的次数确定。各非最外侧的推进剂的装药量，根据其相邻两侧脉冲激励的时间间隔确定，该时间间隔大小根据测定需求设定。各脉冲源的装药量由测定过程中所需脉冲激励大小确定，其位置由所需脉冲时序确定。由此实现不同时间的脉冲间隔和多次脉冲的激励。
在测定时，将脉冲触发器安置在T型燃烧器内的一端。
有益效果
与现有技术相比，本发明有以下特点：
(1)本脉冲触发器中的推进剂贴壁浇注于药筒内成为整体，推进剂和药筒之间无密封性问题，无燃气侵入、装药蹿火等问题，且药筒有绝热层保护；
(2)本脉冲触发器中的脉冲源由脉冲药盒封闭包装脉冲药形成，对感度很高的脉冲药更加安全可靠；
(3)本脉冲触发器中的药筒之间、药筒和药筒盖之间连接的密封性良好，无燃气侵入、装药蹿火等问题；
(4)本脉冲触发器为脉冲源和推进剂整体装药，一体设计，结构简单；
(5)本脉冲触发器直接安置在T型燃烧器中，不需要外加点火时序控制装置，系统简单，可靠度高；
(6)本脉冲触发器可以根据不同的脉冲激励需求，调整装药，控制简单；
(7)加工制造成本低；
(8)操作简单，易于维护。
附图说明
图1为具体实施方式中脉冲触发器主剖视图；
图2为具体实施方式中脉冲触发器侧视图；
图3为具体实施方式中脉冲触发器和T型燃烧器装配主剖视图；
图4为具体实施方式中脉冲触发器中第一药筒主视图；
图5为具体实施方式中脉冲触发器中第二药筒主视图；
图6为具体实施方式中脉冲触发器中第二药筒侧视图；
图7为具体实施方式中脉冲触发器中药筒盖侧视图；
图8为具体实施方式中脉冲触发器中脉冲药盒壳体主剖视图；
图9为具体实施方式中脉冲触发器中脉冲药盒盖体主剖视图；
图10为具体实施方式中T型燃烧器脉冲法的系统总图；
图11为具体实施方式中脉冲触发器燃烧过程中的装药与压强响应对应图；
其中，1-杯状推进剂，2-一体化绝热层衬层，3-第一药筒，4-O型圈，5-第一脉冲药盒，6-第一脉冲药，7-第二药筒，8-密封圈，9-药筒盖，10-内六角螺钉，11-第二脉冲药，12-第二脉冲药盒，13-柱状推进剂，14-T型燃烧器，15-压力传感器，16-无脉冲源杯状推进剂，17-点火控制系统，18-数据采集系统，19-电源系统，20-计算机，21-点火线，22-点火药包，23-脉冲药盒壳体，24-脉冲药盒盖体。
具体实施方式
下面结合图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1所示，一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，包括：杯状推进剂1，一体化绝热层衬层2，第一药筒3，O型圈4，第一脉冲药盒5，第一脉冲药6，第二药筒7，密封圈8，药筒盖9，内六角螺钉10，第二脉冲药11，第二脉冲药盒12，柱状推进剂13。
其中，杯状推进剂1、第一脉冲药6、柱状推进剂13和第二脉冲药11共同作为脉冲触发器的装药，采取“推进剂-脉冲源”交替的方式布局，含有贴壁浇注杯状推进剂1的第一药筒3和含有贴壁浇注柱状推进剂13的第二药筒7之间、含有贴壁浇注柱状推进剂13的第二药筒7和药筒盖9之间在连接前，需将盛装好第一脉冲药6的第一脉冲药盒5和盛装好第二脉冲药11的第二脉冲药盒12分别安放在第一药筒3和第二药筒7所预留空腔中，且杯状推进剂1、第一脉冲药盒5、柱状推进剂13、第二脉冲药盒12和一体化绝热层衬层2之间紧密无隙、完全接触，从而确保燃烧过程连续、可靠。
杯状推进剂1贴壁浇注于第一药筒3之内，柱状推进剂13贴壁浇注于第二药筒7之内，推进剂与药筒之间粘有一体化绝热层衬层2，使其成为一个整体、没有缝隙。同时，一体化绝热层衬层2保护第一药筒3和第二药筒7，使其免受高温烧蚀。
第一脉冲药6和第二脉冲药11分别由第一脉冲药盒5和第二脉冲药盒12盛装，形成封闭包装的脉冲源。第一脉冲药盒5和第二脉冲药盒12都是由脉冲药盒壳体23和脉冲药盒盖体24构成，如图8和图9所示，材料优选采用赛璐珞，脉冲药盒壳体23的内直径φ1等于脉冲药盒盖体24的外直径φ2，脉冲药放置于脉冲药盒壳体23内后将脉冲药盒盖体24盖在其上，并用液体胶水密封其缝隙，封闭包装成脉冲药盒盛装脉冲药的脉冲源。
含有贴壁浇注杯状推进剂1的第一药筒3在最外端(即，脉冲触发器的顶部)，在其内端，空腔处安放盛装好第一脉冲药6的第一脉冲药盒5，密封槽内安装O型圈4。随后，将含有贴壁浇注柱状推进剂13的第二药筒7和第一药筒3通过螺纹连接，O型圈4保证其安装密封性良好。第一药筒3结构如图4所示，第二药筒7结构如图5和图6所示。在含有贴壁浇注柱状推进剂13的第二药筒7的内端，空腔处安放盛装好第二脉冲药11的第二脉冲药盒12，密封槽内安装密封圈8。随后，将药筒盖9和第二药筒7通过内六角螺钉10连接，密封圈8保证其安装密封性良好，药筒盖9结构如图7所示。通过第一药筒3、第二药筒7和药筒盖9包裹推进剂形成的装药，最终只留出杯状推进剂1的杯状端面，目的是确保装药的燃烧过程只发生在脉冲触发器的端面。脉冲触发器的最外端为点火处，该处的推进剂为杯状推进剂1，在点火的瞬间起到建立初压的作用。
所述杯状推进剂1选用被测的火箭推进剂，其装药量根据建压效果和从点火到第一次脉冲激励的时间间隔确定，该脉冲激励的时间间隔由测定需求设定。
所述第一脉冲药6，其装药优选黑火药和烟火剂(如BPN)，采用第一脉冲药盒5封闭包装。装药量根据测定所需脉冲大小确定。其中，黑火药和烟火剂的比例，要求能够在毫秒级范围内燃烧完毕，并符合脉冲激励的效果。脉冲源的位置，由所需脉冲激励的时序确定。
所述柱状推进剂13选用被测的火箭推进剂，装药量根据第一次脉冲激励和第二次脉冲激励的时间间隔确定。
所述第二脉冲药11，其装药优选选用黑火药和烟火剂，可以采用第二脉冲药盒12封闭包装。装药量由所需脉冲大小确定。其中，黑火药和烟火剂的比例，要求能够在毫秒级范围内燃烧完毕，并符合脉冲激励的效果。脉冲源的位置，由所需脉冲激励的时序确定。
可以根据测定过程中的脉冲次数需要，在脉冲触发器内，采取“推进剂-脉冲源”交替方式，安置多个推进剂和脉冲源。非最外侧的推进剂和脉冲源的具体数量，根据测定过程中所需脉冲的次数确定。各非最外侧的推进剂的装药量，根据其相邻两侧脉冲激励的时间间隔确定，该时间间隔由测定需求设定。各脉冲源的装药量，由测定过程中所需脉冲激励大小确定，其位置由所需脉冲时序确定。由此实现不同时间的脉冲间隔和多次脉冲的激励。
如图10所示，利用本发明所述脉冲触发器测定固体火箭发动机不稳定燃烧性的方法如下：
将脉冲触发器整体安置在T型燃烧器14的一端，如图3所示。T型燃烧器14的另一端安置无脉冲源杯状推进剂16。无脉冲源杯状推进剂16选用被测的火箭推进剂，其装药量根据整个燃烧过程的时间确定。
在T型燃烧器14两端装药杯状处，均安置点火药包22，并经点火线21引出，与点火控制系统17相连，确保T型燃烧器14的两端能够同时点火。
在T型燃烧器14中选择安置若干个压力传感器15，用于获取燃烧过程中脉冲的压力响应，压力传感器15的具体数量根据测定需求选定，在本具体实施方式中，其安置数量为5个。压力传感器15输出端与数据采集系统18相连，由数据采集系统18收集压力响应数据。数据采集系统18将收集到的压力响应数据送入计算机20进行数据处理。
所述点火控制系统17、数据采集系统18和计算机20，均与电源系统19相连。
测定时，首先由点火控制系统17实施点火，此时，点火药包22点燃并引燃两端的杯状推进剂1和无脉冲源杯状推进剂16，建立初压。
杯状推进剂1燃烧一段时间后，引燃第一脉冲药6产生激励脉冲，并继续引燃柱状推进剂13、第二脉冲药11产生激励脉冲，从而实现在T型燃烧器中燃烧过程中发生两次脉冲激励。整个燃烧过程中的装药和压强响应对应图如图11所示。
所述点火药包22，可由点火药(黑火药和烟火剂)与点火头用纱布包装而成。
所述压力传感器15，可选取精度、灵敏度高的水冷式传感器，数量和位置由实验需求确定。
所述的点火控制系统17，由点火控制器和点火头形成的回路构成，控制点火按钮接通时，回路电流3A左右，保证点火效果。
所述的数据采集系统18，可由数据采集卡构成，该采集卡要求采样频率高、传输速度快，能够满足数据采集需求。
所述的电源系统19，可采用稳压稳流直流电源，该电源是一种输出电压连续可调、稳压与稳流自动转换的高精度直流电源。
所述的T型燃烧器14，其主体部分为一个两端封闭、中间开口的厚壁钢管，中间开口可安装可变喷喉尺寸喷管。

Claims (8)

1.一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，包括：杯状推进剂(1)、第一脉冲药盒(5)、第一脉冲药(6)、第二脉冲药(11)、第二脉冲药盒(12)、柱状推进剂(13)；
其特征在于：
还包括一体化绝热层衬层(2)、(3)、O型圈(4)、第二药筒(7)、密封圈(8)、药筒盖(9)、内六角螺钉(10)；
其中，杯状推进剂(1)贴壁浇注于第一药筒(3)内，柱状推进剂(13)贴壁浇注于第二药筒(7)内，推进剂与药筒之间粘有一体化绝热层衬层(2)，使其成为一个整体、没有缝隙；
第一脉冲药(6)、第二脉冲药(11)分别由第一脉冲药盒(5)、第二脉冲药盒(12)盛装，形成封闭包装的脉冲源；
杯状推进剂(1)、第一脉冲药(6)、柱状推进剂(13)和第二脉冲药(11)共同作为脉冲触发器的装药，并采取“推进剂-脉冲源”交替的方式布局，含有贴壁浇注杯状推进剂(1)的第一药筒(3)和含有贴壁浇注柱状推进剂(13)的第二药筒(7)之间、含有贴壁浇注柱状推进剂(13)的第二药筒(7)和药筒盖(9)之间在连接前，需将盛装好第一脉冲药(6)的第一脉冲药盒(5)和盛装好第二脉冲药(11)的第二脉冲药盒(12)分别安放在第一药筒(3)和第二药筒(7)所预留空腔中，并且杯状推进剂(1)、第一脉冲药盒(5)、柱状推进剂(13)、第二脉冲药盒(12)和一体化绝热层衬层(2)之间要求紧密无隙、完全接触；
含有贴壁浇注杯状推进剂(1)的第一药筒(3)位于脉冲触发器的顶部；在脉冲触发器内端的空腔处安放盛装有第一脉冲药(6)的第一脉冲药盒(5)，密封槽内安装O型圈(4)；含有贴壁浇注柱状推进剂(13)的第二药筒(7)和第一药筒(3)通过螺纹连接，O型圈(4)保证其安装密封性良好；
在含有贴壁浇注柱状推进剂(13)的第二药筒(7)的内端空腔处，安放盛装好第二脉冲药(11)的第二脉冲药盒(12)，密封槽内安装有密封圈(8)；药筒盖(9)和第二药筒(7)通过内六角螺钉(10)连接，密封圈(8)保证其安装密封性良好；
通过第一药筒(3)、第二药筒(7)和药筒盖(9)包裹推进剂形成的装药，最终只留出杯状推进剂(1)的杯状端面；
脉冲触发器的最外端为点火处，该处的推进剂为杯状推进剂(1)；
所述柱状推进剂(13)选用被测的火箭推进剂，装药量根据第一次脉冲激励和第二次脉冲激励的时间间隔确定。
2.如权利要求1所述的一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，其特征在于，第一脉冲药盒(5)、第二脉冲药盒(12)，均由脉冲药盒壳体(23)和脉冲药盒盖体(24)构成；
其中，脉冲药盒壳体(23)的内直径φ1等于脉冲药盒盖体(24)的外直径φ2，脉冲药放置于脉冲药盒壳体(23)内后，将脉冲药盒盖体(24)盖在其上，并密封其缝隙。
3.如权利要求2所述的一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，其特征在于，脉冲药盒壳体(23)、脉冲药盒盖体(24)的材料采用赛璐珞。
4.如权利要求1所述的一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，其特征在于，所述杯状推进剂(1)选用被测的火箭推进剂，其装药量根据建压效果和从点火到第一次脉冲激励的时间间隔确定，该脉冲激励的时间间隔由测定需求设定。
5.如权利要求1所述的一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，其特征在于，所述第一脉冲药(6)采用第一脉冲药盒(5)封闭包装，装药量根据测定所需脉冲大小确定；
其中，黑火药和烟火剂的比例，要求能够在毫秒级范围内燃烧完毕，并符合脉冲激励的效果；
脉冲源的位置，由所需脉冲激励的时序确定。
6.如权利要求1所述的一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，其特征在于，所述第二脉冲药(11)采用第二脉冲药盒(12)封闭包装，装药量由所需脉冲大小确定；
其中，黑火药和烟火剂的比例，要求能够在毫秒级范围内燃烧完毕，并符合脉冲激励的效果；
脉冲源的位置，由所需脉冲激励的时序确定。
7.如权利要求1所述的一种用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器，其特征在于，根据测定过程中的脉冲次数需要，在脉冲触发器内，采取“推进剂-脉冲源”交替方式，安置多个推进剂和脉冲源，其中，非最外侧的推进剂和脉冲源的具体数量根据测定过程中所需脉冲的次数确定，各非最外侧的推进剂的装药量根据其相邻两侧脉冲激励的时间间隔确定，该时间间隔由测定需求设定；各脉冲源的装药量，由测定过程中所需脉冲激励大小确定，其位置由所需脉冲时序确定。
8.一种使用权利要求1所述用于测量复合推进剂压力耦合响应函数的脉冲触发器的测量方法，其特征在于：
将脉冲触发器整体安置在T型燃烧器(14)的一端，T型燃烧器(14)的另一端安置无脉冲源杯状推进剂(16)，无脉冲源杯状推进剂(16)选用被测的火箭推进剂，其装药量根据整个燃烧过程的时间确定；
在T型燃烧器(14)两端装药杯状处均安置点火药包(22)，并经点火线(21)引出，与点火控制系统(17)相连，确保T型燃烧器(14)的两端能够同时点火；
在T型燃烧器(14)中安装有压力传感器(15)，用于获取燃烧过程中脉冲的压力响应，压力传感器(15)的具体数量根据测定需求选定；压力传感器(15)输出端与数据采集系统(18)相连，由数据采集系统(18)收集压力响应数据；数据采集系统(18)将收集到的压力响应数据送入计算机(20)进行数据处理；
所述点火控制系统(17)、数据采集系统(18)和计算机(20)，均与电源系统(19)相连；
测定时，首先由点火控制系统(17)实施点火，此时，点火药包(22)点燃并引燃两端的杯状推进剂(1)和无脉冲源杯状推进剂(16)，建立初压；杯状推进剂(1)燃烧引燃第一脉冲药(6)产生激励脉冲，并继续引燃柱状推进剂(13)、第二脉冲药(11)产生激励脉冲。
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