CN113530716B - 固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，该测量方法如下：维持固体推进剂所处燃烧腔体的稳态压强不变，对燃烧腔体施加周期变化的活塞压缩，控制固体推进剂所处的波动压强环境，分别用压强传感器和超声波探头测量波动压强和推进剂燃速，计算出该压强波动频率处的压强耦合响应函数值，通过更改压强波动条件重复试验便可得到压强耦合响应函数的频域分布特性。该一种固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，基于直接测量的波动压强和波动燃速计算压强耦合响应函数，同时减少了简化假设带来的误差，尤其适合于声腔基频较低的固体火箭发动机中固体推进剂发生不稳定燃烧时的压强耦合响应特性研究。

Description

固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置和方法
技术领域
本发明涉及固体推进剂燃烧的技术领域，具体地，涉及固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置和方法。
背景技术
固体推进剂的燃烧是固体火箭发动机的能量来源，是近、远程导弹和火箭弹的基础，为满足日益提高的军事需求，固体火箭发动机多采用大长细比构型、高装填和高能复合推进剂等工程方案，在工作过程中极易出现燃烧室内压力波动的不稳定燃烧现象，严重时将导致发动机失效甚至爆炸，给飞行任务带来极为不利的影响。
固体推进剂在发动机燃烧室内受压力波动影响产生的压强耦合响应特性，是不稳定燃烧的主要影响因素，压强耦合响应特性是固体推进剂的固有属性，可以用压强耦合响应函数表征，其物理意义是燃速相对波动量与压强相对波动量的复数比，国内外学者基于推进剂的非稳态燃烧模型开展了响应函数的仿真建模及理论研究，然而响应函数的模型计算十分复杂、耗费时间长，推进剂燃烧模型不能完全反映真实的推进剂燃烧过程，响应函数的计算结果存在误差，不利于发动机的稳定性评估，因此，学术界和工程研制中仍然更青睐于通过实验手段获取真实固体推进剂的压强耦合响应函数，最具有代表性的测量压强耦合响应函数的实验方法是应用最广且廉价的T型燃烧器方法。
在公开号为CN108131217A的中国发明专利中公开了固体推进剂非线性压强耦合响应函数测量方法，该测量方法如下：对T型燃烧器测量装置采用高压强外部触发激励方法，根据触发激励装置的工作压强，控制T型燃烧器内的压强振荡特性，并采用“二次触发激励”法，分别在固体推进剂在T型燃烧器内燃烧中间时刻和刚刚结束时刻进行触发激励，获得非线性压强振荡衰减数据，对振荡衰减数据进行离散处理，分别获得各阶振荡模态的衰减系数，从而获得所有振荡模态的非线性响应函数值。该一种固体固体推进剂非线性压强耦合响应函数测量方法，用于研究固体推进剂在非线性压强振荡环境下的非线性压强耦合响应特性。
压强耦合响应函数的计算输入包括波动燃速与波动压强，然而T型燃烧器方法中只能安装压强传感器测量波动压强，通过燃速压强关系计算得到平均燃速，然后通过对波动压强的衰减段做指数拟合构造燃面增益常数的方式间接获取燃烧响应函数值，无法精确得到与每一时刻波动压强对应的固体推进剂的波动燃速，另一方面，由于大长细比构型发动机的使用，越来越多的发动机声腔基频降到300Hz以下，已经低于300Hz-4000Hz的T型燃烧器适用频带，因此，有必要建立固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，在试验中直接测得波动燃速与波动压强，获取精确的压强耦合响应函数。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置和方法。
根据本发明提供的一种固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置，包括压强波动燃烧器、压强波动系统和测试控制系统；
所述压强波动燃烧器包括燃烧腔体，所述燃烧腔体顶面安装有进气口、出气口和压力表，所述燃烧腔体底面安装有耦合介质，所述耦合介质顶端与固体推进剂紧密接触，所述耦合介质的底端与超声波探头紧密接触；所述固体推进剂上方安装有点火装置，所述燃烧腔体右侧面安装有压强传感器。
优选地，所述压强波动系统位于燃烧腔体的左侧面，所述压强波动系统包括活塞、凸轮、凸轮从动件和电机；所述活塞与燃烧腔体之间通过通气阀连通，所述电机驱动凸轮旋转，所述凸轮从动件带动活塞往复运动。
优选地，所述测试控制系统包括脉冲发射接收器、信号采集器和计算机；所述脉冲发射接收器与超声波探头连接；所述信号采集器与脉冲发射接收器、压强传感器、压力表连接。
本发明还提供一种固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，所述方法应用上述中的一种固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：装配压强波动燃烧器，安装固体推进剂并密封；
步骤S2：向燃烧腔体充入氮气；
步骤S3：设定压强波动频率；
步骤S4：点燃固体推进剂，测量腔体稳态压强
Figure BDA0003147966990000021
与波动压强
Figure BDA0003147966990000022
测量推进剂稳态燃速
Figure BDA0003147966990000031
与波动燃速
Figure BDA0003147966990000032
计算得到该压强波动频率的压强耦合响应函数值；
Figure BDA0003147966990000033
其中：Rp为压强耦合响应函数，f为燃烧腔体压强波动频率，Fr和Fp分别是燃速与压强的傅里叶变换；
步骤S5：保持稳态压强不变，改变压强波动频率f，重复步骤S4，得到多个频率的压强耦合响应函数值Rp(fn)，采用最小二乘法拟合，得到压强耦合响应函数分布曲线，其中，fn表示n个压强波动频率。
优选地，所述步骤S1中安装固体推进剂前应用游标卡尺精确测量固体推进剂的燃向厚度。
优选地，所述步骤S2中稳态压强稳定后用超声波探头发射脉冲信号并接收推进剂燃面和底面的回波信号，计算超声波在固体推进剂中的渡越时间，根据已知厚度标定固体推进剂在此压强条件下声速。
优选地，所述步骤S4中固体推进剂点燃后用超声波探头发射脉冲信号并接收固体推进剂燃面与底面的回波信号，计算每一时刻超声波在固体推进剂中的渡越时间，根据事先标定的声速，计算每一时刻的固体推进剂厚度，建立固体推进剂厚度与时间的对应关系。
优选地，所述步骤S4中根据燃烧全过程固体推进剂厚度与时间的对应关系，对时间做微分，得到波动燃速。
优选地，所述步骤S4中对波动燃速做低通滤波，得到稳态燃速。
优选地，所述步骤S4中用压力表测量稳态压强，用压强传感器测量波动压强。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、与T型燃烧器方法相比，本发明能同时测量波动压强与波动燃速，直接计算压强耦合响应函数，避免了燃面增益常数拟合和燃速平均化等简化假设带来的误差。
2、与T型燃烧器方法相比，本发明在低频(300Hz以下)压力波动燃烧时的适用性更好，更适合于声腔基频较低的固体火箭发动机中固体推进剂发生不稳定燃烧时的压强耦合响应特性研究。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量装置的结构示意图。
其中：
固体推进剂1 点火装置10
燃烧腔体2 凸轮11
活塞3 凸轮从动件12
压强传感器4 电机13
超声波探头5 活塞腔体14
压力表6 通气阀15
进气口7 脉冲发射接收器16
出气口8 信号采集器17
耦合介质9 计算机18
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1，本发明提供了一种固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量装置，包括压强波动燃烧器、压强波动系统和测试控制系统。
压强波动燃烧器包括燃烧腔体2，燃烧腔体顶面安装有进气口7、出气口8和压力表6；燃烧腔体底面安装有聚醚醚酮材料的耦合介质9，用于固定固体推进剂1并给超声波信号提供传播途径，耦合介质9顶端与固体推进剂1紧密接触，底端与超声波探头5紧密接触；超声波探头5用于发射超声波信号并接收固体推进剂1燃面的回波信号；固体推进剂1上方安装有点火装置10，用于点燃固体推进剂1；燃烧腔体2右侧面安装有高频响PCB压强传感器4，用于测量燃烧腔体2内的压强信号。
压强波动系统位于燃烧腔体2的左侧面，由活塞3、凸轮11、凸轮从动件12和电机13组成；活塞腔体14与燃烧腔体2之间通过通气阀15连通，保证活塞腔体14和燃烧腔体2之间的压强平衡；凸轮11旋转由电机13驱动，经由凸轮从动件12带动活塞3往复运动，进而高频压缩燃烧腔体2内部气体，产生一定频率的压强波动。
测试控制系统包括脉冲发射接收器16、信号采集器17和计算机18；脉冲发射接收器16与超声波探头5连接用于收发超声波信号；信号采集器17与脉冲发射接收器15、压强传感器4、压力表6连接，用于采集超声波信号与压强信号；计算机18用于超声波信号数据处理、燃速计算、压强耦合响应函数计算和压强耦合响应函数分布曲线拟合等数据处理工作。
本发明还提供固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，该测量方法应用上述中一种固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量装置，包括如下：
维持固体推进剂1所处燃烧腔体2的稳态压强不变，对燃烧腔体2施加周期变化的活塞3压缩，控制固体推进剂1所处的波动压强环境，分别用压强传感器4和超声波探头5测量波动压强和推进剂燃速，计算出该压强波动频率处的压强耦合响应函数值，通过更改压强波动条件重复试验便可得到压强耦合响应函数的频域分布特性。
固体推进剂高压波动燃烧压强耦合响应函数测量方法包括如下步骤：
步骤S1：装配压强波动燃烧器，安装固体推进剂1并密封；安装固体推进剂1前用游标卡尺精确测量固体推进剂1的燃向厚度为50.00mm。
步骤S2：向燃烧腔体2充入氮气以满足10MPa稳态压强试验条件；稳态压强稳定后，用超声波探头5发射脉冲信号并接收推进剂燃面和底面的回波信号，计算超声波在固体推进剂1中的渡越时间，根据已知厚度标定固体推进剂在此压强条件下声速c＝1820m/s。
步骤S3：设定压强波动频率以满足10％波动幅值、50Hz波动频率的波动压强试验条件。
步骤S4：点燃固体推进剂1，测量燃烧腔体2稳态压强
Figure BDA0003147966990000051
与波动压强
Figure BDA0003147966990000052
测量固体推进剂1稳态燃速
Figure BDA0003147966990000053
与波动燃速
Figure BDA0003147966990000054
计算得到该压强波动频率的压强耦合响应函数值；
Figure BDA0003147966990000055
其中：Rp为压强耦合响应函数，p为压强，f为燃烧腔体压强波动频率，Fr和Fp分别是燃速与压强的傅里叶变换。
固体推进剂1点燃后，每隔τ＝400μs用超声波探头5发射中心频率1MHz脉冲信号并接收固体推进剂1燃面与底面的回波信号，计算每一时刻超声波在固体推进剂1中的渡越时间，根据事先标定的声速，计算每一时刻的固体推进剂1厚度，建立固体推进剂1厚度与时间的对应关系；根据燃烧全过程固体推进剂1厚度与时间的对应关系，对时间做微分，得到波动燃速；对波动燃速做10Hz低通滤波，得到稳态燃速；用压力表6测量稳态压强，用PCB高频响压强传感器4测量波动压强。
步骤S5：保持稳态压强10MPa不变，改变压强波动频率f为100Hz、150Hz、200Hz、250Hz和300Hz，重复步骤S4，得到多个频率的压强耦合响应函数值Rp(fn)，采用最小二乘法拟合，得到压强耦合响应函数分布曲线，其中，fn表示50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz共6个压强波动频率。
与T型燃烧器方法相比，本发明能同时测量波动压强与波动燃速，直接计算压强耦合响应函数，避免了燃面增益常数拟合和燃速平均化等简化假设带来的误差；与T型燃烧器方法相比，本发明在低频(300Hz以下)压力波动燃烧时的适用性更好，更适合于声腔基频较低的固体火箭发动机中固体推进剂发生不稳定燃烧时的压强耦合响应特性研究。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置，其特征在于，包括压强波动燃烧器、压强波动系统和测试控制系统；
所述压强波动燃烧器包括燃烧腔体(2)，所述燃烧腔体(2)顶面安装有进气口(7)、出气口(8)和压力表(6)，所述燃烧腔体(2)底面安装有耦合介质(9)，所述耦合介质(9)顶端与固体推进剂(1)紧密接触，所述耦合介质(9)的底端与超声波探头(5)紧密接触；所述固体推进剂(1)上方安装有点火装置(10)，所述燃烧腔体(2)右侧面安装有压强传感器(4)；
所述压强波动系统位于燃烧腔体(2)的左侧面，所述压强波动系统包括活塞(3)、凸轮(11)、凸轮从动件(12)和电机(13)；活塞腔体(14)与燃烧腔体(2)之间通过通气阀(15)连通，所述电机(13)驱动凸轮(11)旋转，所述凸轮从动件(12)带动活塞(3)往复运动；
所述测试控制系统包括脉冲发射接收器(16)、信号采集器(17)和计算机(18)；所述脉冲发射接收器(16)与超声波探头(5)连接；所述信号采集器(17)与脉冲发射接收器(16)、压强传感器(4)、压力表(6)连接。
2.一种固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1任一项所述的固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量装置，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：装配压强波动燃烧器，安装固体推进剂(1)并密封；
步骤S2：向燃烧腔体(2)充入氮气；
步骤S3：设定压强波动频率；
步骤S4：点燃固体推进剂(1)，测量腔体稳态压强
Figure FDA0003630735740000011
与波动压强
Figure FDA0003630735740000012
测量推进剂稳态燃速
Figure FDA0003630735740000013
与波动燃速
Figure FDA0003630735740000014
计算得到该压强波动频率的压强耦合响应函数值；
Figure FDA0003630735740000015
其中：Rp为压强耦合响应函数，f为燃烧腔体(2)压强波动频率，Fr和Fp分别是燃速与压强的傅里叶变换；
步骤S5：保持稳态压强不变，改变压强波动频率f，重复步骤S4，得到多个频率的压强耦合响应函数值Rp(fn)，采用最小二乘法拟合，得到压强耦合响应函数分布曲线，其中，fn表示n个压强波动频率。
3.根据权利要求2所述的固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述步骤S1中安装固体推进剂(1)前应用游标卡尺精确测量固体推进剂(1)的燃向厚度。
4.根据权利要求2所述的固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述步骤S2中稳态压强稳定后用超声波探头(5)发射脉冲信号并接收推进剂燃面和底面的回波信号，计算超声波在固体推进剂(1)中的渡越时间，根据已知厚度标定固体推进剂(1)在此压强条件下声速。
5.根据权利要求2所述的固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中固体推进剂(1)点燃后用超声波探头(5)发射脉冲信号并接收固体推进剂(1)燃面与底面的回波信号，计算每一时刻超声波在固体推进剂(1)中的渡越时间，根据事先标定的声速，计算每一时刻的固体推进剂(1)厚度，建立固体推进剂(1)厚度与时间的对应关系。
6.根据权利要求2所述的固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中根据燃烧全过程固体推进剂(1)厚度与时间的对应关系，对时间做微分，得到波动燃速。
7.根据权利要求2所述的固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中对波动燃速做低通滤波，得到稳态燃速。
8.根据权利要求2所述的固体推进剂波动燃烧压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中用压力表(6)测量稳态压强，用压强传感器(4)测量波动压强。
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