CN113417761A - 一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，包括：燃烧室和两个金属环形电极，两个金属环形电极设置于燃烧室内，在竖直方向上上下间隔设置，间距可调，且均呈水平状；一个为正电极，一个为负电极，其中正电极与设置于燃烧室外的直流高压电源的正极相连接；两个金属环形电极的环形空间内用于上下贯穿设置竖直向下的推进剂药条，且推进剂药条的上端安装于燃烧室的顶部；直流高压电源用于：向金属环形电极供电，在正电极和负电极间形成匀强电场，以使推进剂药条处在匀强电场中；使用该静电场调控的推进剂燃烧实验装置实现了推进剂在电场作用下工作状态模拟，能够定量获得电场强度与推进剂燃速的变化规律，以及电场对推进剂燃烧的影响机制。

Description

一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置

技术领域

本发明属于固体发动机技术领域，尤其涉及一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置。

背景技术

静电场调控燃烧研究是燃烧研究中重要的研究领域之一，如煤炭清洁燃烧就是一种典型的利用外加电场来提高燃烧效率的静电场调控燃烧技术。对燃烧过程中施加静电场，会使粒子间的静电力得以放大，这样一方面提高了粒子的活性，另一方面减少了粒子间的团聚现象，因此燃烧效率得到了大大提高。

近年来，固体火箭随着大型化和重型化的发展，许多研制上的不可控风险日益严重，研制的技术难度也随之增加。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比，主要缺点是比冲小、燃烧不易控制等，从而不利于特种飞行。

利用静电场调控推进剂燃烧以实现固体火箭发动机的燃烧可控是一个新型研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，实现了推进剂在电场作用下工作状态模拟，能够定量获得电场强度与推进剂燃速的变化规律，以及电场对推进剂燃烧的影响机制。

本发明采用以下技术方案：一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，包括：燃烧室和两个金属环形电极，两个金属环形电极设置于燃烧室内，在竖直方向上上下间隔设置，间距可调，且均呈水平状；一个为正电极，一个为负电极，其中正电极与设置于燃烧室外的直流高压电源的正极相连接，负电极与负极相连接，并接地；直流高压电源电压大小可调；

两个金属环形电极的环形空间内用于上下贯穿设置竖直向下的推进剂药条，且推进剂药条的上端安装于燃烧室的顶部，其下端为燃面；

直流高压电源用于：向金属环形电极供电，在正电极和负电极间形成匀强电场，以使推进剂药条处在匀强电场中；

在燃烧室内设置有热电偶和压力变送器，热电偶和压力变送器的一端均连接有导线，各导线与设置于燃烧室外的数据采集器相连接，数据采集器还与控制器相连接；

在燃烧室外设置有高速红外热像仪和高速相机，高速红外热像仪和高速相机的工作端均朝向燃烧室侧；在燃烧室外设置有一光谱仪；高速红外热像仪、高速相机和光谱仪均与数据采集器相连接。

进一步地，在燃烧室内设置有三根竖直状的丝杆，三根丝杆的上端均与燃烧室的顶部可拆卸螺纹连接；两个金属环形电极水平向设置，固定于三根丝杆上。

进一步地，两个金属环形电极的外边缘上一周间隔开设有三个通孔，三个通孔用于套设于三根丝杆上，在丝杆上，且位于金属环形电极的上下均套设有螺母，上下螺母用于旋紧固定金属环形电极；且上下螺母可在丝杆上移动，以改变两个金属环形电极间的间距。

进一步地，在三根丝杆上套设有一水平向的支撑托，各支撑托上用于叠放一个金属环形电极；支撑托为中部开口的片状绝缘体，在边缘一周间隔开设有三个通孔，通孔用于套设于三根丝杆上，在丝杆上，且位于各支撑托的上下均套设有螺母，上下螺母用于旋紧固定支撑托；且上下螺母可在丝杆上移动，以改变两个金属环形电极间的间距。

进一步地，两个金属环形电极均为片状体。

进一步地，燃烧室采用有机玻璃材质。

进一步地，燃烧室的上端通过进气管与高压氮气罐相连接，燃烧室的上端还连接有出气管。

进一步地，燃烧室为腔体结构，由上下两个扣合在一起且相连通的壳体构成，在上下壳体的相连接的端部的外边缘一周，设置有与壳体相连接的矩形法兰，在上壳体横向放置于支撑台装填推进剂时，矩形法兰作为支撑件。

进一步地，在燃烧室内的底部，且位于金属环形电极的下部放置有燃烧产物收集装置。

本发明还公开了上述一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置的监测方法，该监测方法如下：

将燃烧室的上壳体水平放置，矩形法兰作为支撑件，在燃烧室的上壳体顶部安装推进剂药条及点火线；安装后，将燃烧室的上壳体与下壳体扣合；

调试高速相机的帧值，调试高速红外热像仪设置为自动对焦，调试光谱仪帧值；检查数据采集器数据采集正常；

排出燃烧室内空气，并开启高压氮气罐向燃烧室内预充气检查其气密性；打开直流高压电源，调节电压；

对燃烧室内充入氮气加压，压力稳定后关闭进气通道；

启动高速相机、高速红外热像仪和光谱仪；

对推进剂点火，点火后，对燃烧室手动排气泄压；推进剂燃烧产物落入燃烧产物收集装置中；

拆除燃烧室的上壳体，收集产物；导出高速红外热像仪、高速相机和光谱仪中的数据。

本发明的有益效果是：1.在燃烧室内设置金属电极，采用直流高压电源给一个电极一端通电，另一个电极接地，达到对推进剂外加电场的效果，两个电极之间构成了匀强电场，实现推进剂在电场作用下工作状态模拟。2.推进剂倒立放置，实现推进剂燃面拍摄和产物收集同步测试，并且可以分别测试电场方向与燃烧自然对流方向同向或反向的燃烧状态。3.通过调节螺母位置来改变两个金属电极间的距离，适用于不同长度的药条，也达到调节电场强度的目的。

附图说明

图1是一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置结构示意图；

图2是燃烧室结构示意图；

图3是本实施例中是外加电场的一种结构示意图；

图4是本实施例中是外加电场的另一种结构示意图；

图5是本实施例中推进剂药条在不同电场下的燃速图；

图6是本实施例中推进剂药条在不同电场下的火焰温度图；

图7是本实施例中推进剂药条在不同电场下的点火延迟时间图；

图8是本实施例中凝相产物SEM图；

其中：1.高压氮气罐，2.燃烧室，3.正电极，4.推进剂药条，5.压力变送器，6.热电偶，7.直流高压电源，8.高速红外热像仪，9.数据采集器，10.高速相机，11.负电极，12.光谱仪，13.控制器，14.支撑托，15.丝杆；16.螺母，17.支撑件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在固体火箭中使用的为烃类燃料，烃类燃料与推进剂粘合剂组分类似，研究发现烃类燃料的燃烧使得火焰中含有许多带电粒子，其密度约为10⁹-10¹²个/cm³，施加电场后会对原本的燃烧特性产生影响。其影响体现在两个个方面：其一，在单纯流道空气动力流动中，流道自身存在的流动不均匀性及荷电电极的扰流对颗粒物分布影响较小，颗粒总数下降；其二，火焰中的大量离子和离子团在电场力的作用下，火焰燃烧会更加剧烈。

本发明一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，如图1和2所示，包括：燃烧室2和两个金属环形电极，两个金属环形电极设置于燃烧室2内，在竖直方向上上下间隔设置，间距可调，且均呈水平状；一个为正电极3，一个为负电极11，其中正电极3与设置于燃烧室2外的直流高压电源7的正极相连接，负电极11与负极相连接，并接地；直流高压电源7电压大小可调；在实验过程中，通过直流高压电源7调节电压以对推进剂药条4的外加电场大小进行调节。

两个金属环形电极的环形空间内用于上下贯穿设置竖直向下的推进剂药条4，且推进剂药条4的上端安装于燃烧室2的顶部，其下端为燃面；直流高压电源7用于：向金属环形电极供电，在正电极3和负电极11间形成匀强电场，，以使推进剂药条4处在匀强电场中。为了装载推进剂药条4，在燃烧室2的顶部的中间位置车出一个长20mm宽5mm深5mm的长方体凹槽，已便固定推进剂药条。

如图3和4所示，在燃烧室2内设置有三根竖直状的丝杆15，三根丝杆15的上均与燃烧室2的顶部可拆卸螺纹连接。

两个金属环形电极的外边缘上开设有三个间隔排布的通孔，三个通孔用于套设于三根丝杆15上，各丝杆15上均设置有螺纹16，在丝杆15上，且位于金属环形电极的上下均套设有螺母16，上下螺母16用于旋紧固定金属环形电极。通过调节丝杆14上不同螺母16的位置能改变两电极之间的距离，于是便适用于不同长度药条，也可以达到调节电场强度的目的。一种方式为，如图3所示，可以直接选用金属片状体，中部挖空，形成中部敞口的环状，将该金属片状体直接作为电极。另一种方式为，如图4所示，可以选用一个支撑托14，选用绝缘材料，支撑托为片状体，支撑托14中部挖空，轴向一周间隔开设通孔，固定于丝杆15上，然后再选金属环形电极，即一金属片状体，中部挖空，形成环形，叠放于支撑托14上。

对于厚度较大的金属，当其作为电极时，会产生尖端效应，为了避免在燃烧室2内产生尖端效应，则两个金属环形电极均采用片状体。

现有的燃烧室2均采用金属材质，但是由于金属燃烧室存在以下问题，第一是对静电场具有干扰作用；第二是利用金属燃烧室不利于同时进行高速红外热像仪、高速相机和光谱仪的拍摄与测量。在本发明中的实验装置中，燃烧室2采用有机玻璃材质PMMA，克服了上述问题。燃烧室2用外径300mm，壁厚20mm的有机玻璃管加工而成，根据GB/T 20801可承受内压理论值0.9MPa。

使用热电偶6和压力变送器5分别测量燃烧室2内温度变化和压力变化。压力变送器5的规格参数为-0.1～1MPa(0-5V)。热电偶6采用S型铂铑热电偶。热电偶6和压力变送器5与燃烧器2的顶部均采用螺纹连接。热电偶6和压力变送器5的一端均连接有导线，各导线与设置于燃烧室2外的数据采集器9相连接，数据采集器9还与控制器13相连接。在燃烧室2外的一侧面设置有高速红外热像仪8和高速相机10，高速红外热像仪8和高速相机10的工作端均朝向燃烧室2侧；在燃烧室2外对侧面设置有一光谱仪12；高速红外热像仪8、高速相机10和光谱仪12均与数据采集器9相连接。

上述高速相机10又称数字工业相机，是常用的工业拍摄相机，在工业领域通常用其来代替人眼测量和判断，它利用数字图像摄取目标转化成图像信号的方式工作，可以做到100％不丢帧。光谱仪12又叫分光仪，它通过利用棱镜或衍射光栅将复杂的光分解为光谱线，利用光谱仪可测得物体表面反射或释放的光，通过对光信息的抓取，可以检测得知物品中含有何种元素。由于高速相机10与光谱仪12可持续高水平记录的时间极短，本实验需要的拍摄到推进剂药条4在电场中燃烧的全部过程，以便于计算出推进剂药条在电场中的燃速，而且需要利用光谱峰值时间来计算出推进剂的点火延迟时间。

实验时，燃烧室2内的压强需进行调节，燃烧室2的上端通过进气管与高压氮气罐1相连接，燃烧室2的上端还连接有出气管。

上述燃烧室2为腔体结构，由上下两个扣合在一起且相连通的壳体构成，在上下壳体的相连接的端部的外边缘一周，设置有与壳体相连接的矩形法兰，在上壳体横向放置于支撑台装填推进剂时，矩形法兰作为支撑件，保证了装填药条时，燃烧室2的稳固性，不易滚动。

在燃烧室2内的底部，且位于金属环形电极的下部放置有燃烧产物收集装置。在收集时，使用80*80mm的坩埚盛放80mL的去离子水放在推进剂药条4的正下方，每次收集结束后将其倒入烧杯等待后一步抽滤处理，并且为了避免不同组实验产物互相干扰，在每次收集结束后都需要对坩埚进行洗净处理。

上述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置的监测方法如下：

将燃烧室2的上壳体水平放置，矩形法兰作为支撑件，在燃烧室2的上壳体顶部安装推进剂药条4及点火线；安装后，将燃烧室2的上壳体与下壳体扣合。

调试高速相机10的帧值，调试高速红外热像仪8设置为自动对焦，调试光谱仪12帧值；检查数据采集器9数据采集正常。

排出燃烧室2内空气，并开启高压氮气罐1向燃烧室2内预充气检查其气密性；打开直流高压电源7，调节电压。

对燃烧室2内充入氮气加压至实验值，压力稳定后关闭进气通道；

启动高速相机10、高速红外热像仪8和光谱仪12。

对推进剂4点火，本实验采用0.3mm的电热丝以24V电压点火。点火后，对燃烧室2手动排气泄压；推进剂燃烧产物落入燃烧产物收集装置中。

拆除燃烧室2的上壳体，收集产物；导出高速红外热像仪8、高速相机10和光谱仪12中的数据。

使用本实施例中的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置对推进剂药条4燃烧过程的监测及数据处理如下：

对AP/HTPB/Al推进剂进行了在不同电场下的定性和定量分析研究。具体的测试环境为，在一个大气压下，充满氮气的燃烧室2内，两电极间的距离为7mm，分别对-5kV，-3.75kV，-2.5kV，-1.25kV，0，1.25kV，2.5kV，3.75kV，5kV的外加电压环境做燃烧测试，为方便研究，把电场方向自上而下定为正，反之为负。并且对每个测试环境做三次重复性实验，以均衡外界不稳定因素干扰。得出如下：

1.外加电场对推进剂燃速的影响：

在测试前，为了保证推进剂是端面燃烧，需要对推进剂药条4进行包覆。燃速的计算方法主要通过高速相机10拍摄到的照片进行计算，具体的操作为，分别记录推进剂药条燃面在高速相机10视野中出现和消失的位置，结合帧数便可计算获得推进剂在电场中的燃烧时间，而实现测好的推进剂在高速相机中的高度为7mm，于是便可以得到推进剂在不同电场作用下的燃速。结果如图5所示，图中-5kV、-3.75kV、-2.5kV、3.75kV数据处没有误差棒。通过实验结果发现，当正向施加电场时，随着场强的增大，燃速总体呈下降趋势；当反向施加电场时，随着场强的增大，燃速总体呈上升趋势。

2.外加电场对推进剂产热的影响：

推进剂释放的热量用S型热电偶测得，但是考虑到推进剂药条4需要处于两电极之间，直接测量推进剂的温度势必会给本实验系统带来更大的挑战。于是，本系统通过采集推进剂药条4周围的气体的温度信号来定性反应推进剂药条4在不同电场环境的产热状态。

如图6所示。其中纵坐标表示推进剂热电偶测得火焰温度的输出电压，由于对应得温度变化较小，并且温度和输出电压呈正相关，利用输出电压来反应火焰温度变化趋势。由图6可知，在不加电场时，推进剂火焰温度最高，增加电场时会对推进剂火焰温度做以干扰。但是，从传热学角度分析，本实验测量的是推进剂周围火焰的温度，推进剂燃烧越慢，热电偶在燃烧室2内采集温度的时间越长，这样采集到的温度更高，可以佐证反向电场促进了推进剂燃烧，正向电场对推进剂的燃烧起到一定的抑制作用。

3.外加电场对点火延迟的影响：

不同电场作用下推进剂药条的点火延迟时间如图7所示：在常温常压下，充满氮气的环境中，AP/HTPB/Al推进剂的点火延迟时间是1.84s。对其分别施加正向电场和反向电场时，推进剂的点火延迟时间增加，且随着施加电压越大，推进剂点火延迟时间总体上越长，且在此实验时，可以明显的发现电场对本推进剂的点火延迟时间有一定影响。但是，通过对数据的处理发现，无论施加正向电场，还是施加反向电场，在特定值电场强度下，点火延迟时间又会出现一定程度的下降。

4.外加电场对凝相产物生成的影响：

对推进剂凝相产物的分析，主要分析不同场强下其粒径和形貌，观察粒径主要存在的范围对固体火箭发动机的燃烧不稳定研究和两相流研究具有重要意义。为此，通过扫描电镜SEM和激光粒度测试的方法对推进剂的主要粒径范围进行观测。部分场强下的形貌和大小如下图8所示，图中从左至右从上至下电场条件依次为-5kV，-3.75kV，-2.5kV，-1.25kV，0，1.25kV，2.5kV，3.75kV，5kV，由图可知，外加电场可以抑制铝粉的团聚，反向施加电场的抑制效果强于同等场强下的正向电场；并且在一定范围内随着场强的增加，电场对铝粉团聚的抑制效果越好。

Claims (10)

1.一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，包括：燃烧室(2)和两个金属环形电极，两个所述金属环形电极设置于所述燃烧室(2)内，在竖直方向上上下间隔设置，间距可调，且均呈水平状；一个为正电极(3)，一个为负电极(11)，其中正电极(3)与设置于所述燃烧室(2)外的直流高压电源(7)的正极相连接，负电极(11)与负极相连接，并接地；所述直流高压电源(7)电压大小可调；

两个所述金属环形电极的环形空间内用于上下贯穿设置竖直向下的推进剂药条(4)，且所述推进剂药条(4)的上端安装于所述燃烧室(2)的顶部，其下端为燃面；

所述直流高压电源(7)用于：向所述金属环形电极供电，在所述正电极(3)和负电极(11)间形成匀强电场，以使所述推进剂药条(4)处在匀强电场中；

在所述燃烧室(2)内设置有热电偶(6)和压力变送器(5)，所述热电偶(6)和压力变送器(5)的一端均连接有导线，各所述导线与设置于所述燃烧室(2)外的数据采集器(9)相连接，所述数据采集器(9)还与控制器(13)相连接；

在所述燃烧室(2)外设置有高速红外热像仪(8)和高速相机(10)，所述高速红外热像仪(8)和高速相机(10)的工作端均朝向所述燃烧室(2)侧；在所述燃烧室(2)外设置有一光谱仪(12)；所述高速红外热像仪(8)、高速相机(10)和光谱仪(12)均与所述数据采集器(9)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，在所述燃烧室(2)内设置有三根竖直状的丝杆(15)，三根所述丝杆(15)的上端均与所述燃烧室(2)的顶部可拆卸螺纹连接；

两个所述金属环形电极水平向设置，固定于三根所述丝杆(15)上。

3.根据权利要求2所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，两个所述金属环形电极的外边缘上一周间隔开设有三个通孔，三个所述通孔用于套设于三根所述丝杆(15)上，在所述丝杆(15)上，且位于所述金属环形电极的上下均套设有螺母(16)，上下所述螺母(16)用于旋紧固定所述金属环形电极；且上下所述螺母(16)可在所述丝杆(15)上移动，以改变两个所述金属环形电极间的间距。

4.根据权利要求2所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，在三根所述丝杆(15)上套设有一水平向的支撑托(14)，各所述支撑托(14)上用于叠放一个金属环形电极；所述支撑托(14)为中部开口的片状绝缘体，在边缘一周间隔开设有三个通孔，所述通孔用于套设于三根所述丝杆(15)上，在所述丝杆(15)上，且位于所述各支撑托(14)的上下均套设有螺母(16)，上下所述螺母(16)用于旋紧固定所述支撑托(14)；且上下所述螺母(16)可在所述丝杆(15)上移动，以改变两个所述金属环形电极间的间距。

5.根据权利要求3或4所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，两个所述金属环形电极均为片状体。

6.根据权利要求5所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，所述燃烧室(2)采用有机玻璃材质。

7.根据权利要求6所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，所述燃烧室(2)的上端通过进气管与高压氮气罐(1)相连接，所述燃烧室(2)的上端还连接有出气管。

8.根据权利要求7所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，所述燃烧室(2)为腔体结构，由上下两个扣合在一起且相连通的壳体构成，在上下壳体的相连接的端部的外边缘一周，设置有与壳体相连接的矩形法兰(17)，在上壳体横向放置于支撑台装填推进剂时，所述矩形法兰(17)作为支撑件。

9.根据权利要求8所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置，其特征在于，在所述燃烧室(2)内的底部，且位于金属环形电极的下部放置有燃烧产物收集装置。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种静电场调控的推进剂燃烧实验装置的监测方法，其特征在于，该监测方法如下：

将所述燃烧室(2)的上壳体水平放置，矩形法兰作为支撑件，在燃烧室(2)的上壳体顶部安装推进剂药条(4)及点火线；安装后，将燃烧室(2)的上壳体与下壳体扣合；

调试所述高速相机(10)的帧值，调试高速红外热像仪(8)设置为自动对焦，调试光谱仪(12)帧值；检查数据采集器(9)数据采集正常；

排出所述燃烧室(2)内空气，并开启高压氮气罐(1)向所述燃烧室(2)内预充气检查其气密性；打开直流高压电源(7)，调节电压；

对所述燃烧室(2)内充入氮气加压，压力稳定后关闭进气通道；

启动所述高速相机(10)、高速红外热像仪(8)和光谱仪(12)；

对所述推进剂(4)点火，点火后，对所述燃烧室(2)手动排气泄压；推进剂燃烧产物落入燃烧产物收集装置中；

拆除所述燃烧室(2)的上壳体，收集产物；导出所述高速红外热像仪(8)、高速相机(10)和光谱仪(12)中的数据。

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