CN113623087A - 一种便携式固体发动机冷增压试验系统 - Google Patents

一种便携式固体发动机冷增压试验系统 Download PDF

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赵程远
曹蓉
杨根
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Abstract

提供了一种便携式固体发动机冷增压试验系统，包括：混合式气体发生器(A)；传感器；密封连接装置(D)；点火控制器(E)和安全阀(F)；混合式气体发生器(A)经密封连接装置(D)与固体发动机端部密封连通；点火控制器(E)与混合式气体发生器(A)通讯连接，用于向混合式气体发生器(A)发送点火信号指令；传感器设置在发动机腔内，用于测量固体发动机腔内的信息数据；安全阀(F)设置在密封连接装置(D)与混合式气体发生器(A)的连接处，用于调节固体发动机内腔的压力。本发明通过混合式气体发生器(A)结构设计及其内部装填的点火药的类型和用量设计，能实现其对发动机内部的快速增压，且增压过程中温度低。

Description

一种便携式固体发动机冷增压试验系统
技术领域
本发明总体地涉及固体导弹环境适应性评估领域，具体涉及一种便携式固体发动机冷增压试验系统。
背景技术
美国NASA《空间飞行器设计规范》指出，引起固体发动机热试车试验或发射失败的主要原因是发动机结构完整性被破坏。固体发动机热试车或发射时，在几十至几百毫秒内，固体发动机燃烧室的压力由1个大气压迅速增至100多个大气压，在这高温、高压及高应变率的恶劣环境下，固体发动机燃烧室的结构完整性极易受到破坏。固体发动机燃烧室主要由壳体、固体推进剂和绝热层、衬层等组成，热试车或发射时产生的高温、高压气体主要作用在固体推进剂上，而固体推进剂属于一种复合高聚物黏弹材料，不同温度、压力及应变速率下其材料特性具有显著的差异。因此，通过试验测量固体发动机点火过程的结构完整性异常困难。
通常采用冷增压试验系统来模拟固体发动机的点火增压过程，评估点火过程中固体发动机的结构完整性。传统的固体发动机冷增压试验系统采用高压氮气瓶快速加压的方式来模拟点火增压(参见图1)，由于高压氮气瓶笨重，需要固定的试验场地，且增压速度较慢，高压气体冲击导致温度偏高，不能满足固体发动机多任务场景的试验需求及安全性要求。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种便携式固体发动机冷增压试验系统，通过混合式气体发生器取代高压氮气瓶，实现了固体发动机冷增压试验系统的轻量化设计，满足固体发动机多任务场景的试验需求及安全性要求。
本发明的技术方案是，一种便携式固体发动机冷增压试验系统，包括：混合式气体发生器；传感器；密封连接装置；点火控制器和安全阀；所述混合式气体发生器经密封连接装置与固体发动机端部密封连通；所述点火控制器与所述混合式气体发生器通讯连接，用于向混合式气体发生器发送点火信号指令；所述传感器设置在发动机腔内，用于测量固体发动机腔内的信息数据；所述安全阀设置在密封连接装置与混合式气体发生器的连接处，用于调节固体发动机内腔的压力。
本发明的工作原理：先通过点火控制器发出点火信号，然后混合式气体发生器接到信号后开始点火，接着混合式气体发生器内的点火药燃烧引起其内部贮存的高压气体喷出，最后喷出的高压气体被压入固体发动机内腔里，从而实现固体发动机内腔的快速增压。本发明通过混合式气体发生器火药产生燃烧或爆炸产生的气体实现发动机固体发动机内腔的快速增加，设备结构简单、连接紧密，实现了固体发动机冷增压试验系统的轻量化设计。
进一步的，本发明的增压试验系统还包括数据处理装置和数据采集器；其中的上述传感器包括温度和/或压力数据传感器和大应变数据传感器；所述数据采集器包括温度和/或压力采集器和大应变采集器，所述述温度和/或压力采集器和大应变采集器共同连接于数据处理装置设置于发动机内腔中以测量其中的温度和/或压力数据，所述大应变数据传感器设置于发动机内腔中以测量其中的大应变数据；所述温度和/或压力采集器与所述温度和/或压力数据传感器连接，所述大应变采集器与所述大应变数据传感器连接。
大应变数据传感器和大应变采集器主要用于感应和采集发动机内腔的变形数据，由于可采集的应变高达20％，故称为大应变数据传感器和大应变采集器，所采集的数据主要用于分析研究。
进一步的，本发明的混合式气体发生器包括密封在缸体中的点火器、点火药、活塞、高压气体和设置在缸体端口的降温管和喷管，点火器和点火药设置在缸体中活塞一侧，高压气体、降温管和喷管设置在另一侧，点火器点燃点火药燃烧和/或爆炸产生的高压气体做功，推动活塞引起高压气体冲破爆破片，通过降温管和喷管喷出，实现固体发动机内腔的快速建压；所述混合式气体发生器范围为0.2kg-0.5kg，长度小于300mm，充气时间通常小于20ms。
进一步的，本发明的密封连接装置为不锈钢材质，质量范围为1kg-3kg，一端与发动机腔体固定连接，另一端与混合式气体发生器固定连接
进一步的，本发明传感器包括温度和/或压力数据传感器用于获取发动机腔体中的温度和/或压力；大应变数据传感器用于采集发动机内腔的变形数据。
进一步的，本发明的混合式气体发生器和点火控制器包括数量相同的多组；所述密封连接装置数量相同的连接孔，所述多组混合式气体发生器经密封连接装置的连接孔与发动机端部连通。
进一步的，本发明的便携式固体发动机冷增压试验系统的总质量小于6Kg，增压时间不超过30ms。
进一步的，本发明的混合式气体发生器的高压气体冲刷温度低于80℃。
进一步的，点火药包括黑火药、叠氮化钠和燃速调节剂。
进一步的，降温管(A5)为涡流型降温管。
本发明相比于现有技术的先进性在于：
1)本发明通过使用混合式气体发生器取代高压氮气瓶，实现了固体发动机冷增压试验系统的轻量化设计；
2)本发明通过混合式气体发生器的结构设计，尤其是点火药及降温管，加快了增压速度，降低了高压气体冲刷温度。
本发明结构简单、操作便捷，满足固体发动机多任务场景的试验需求。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1是本发明实施例中一种便携式固体发动机冷增压试验系统的结构示意图；
图2是现有技术中高压氮气加压式冷增压试验系统的原理图；
图3是本发明实施例中一种便携式固体发动机冷增压试验系统中混合式气体发生器的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种便携式固体发动机冷增压试验系统的P-t曲线。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种便携式固体发动机冷增压试验系统，其结构组成示意图如图1所示，包括：混合式气体发生器A；传感器；密封连接装置D；点火控制器E和安全阀F；大致连接关系为：混合式气体发生器A经密封连接装置D与固体发动机端部密封连通；点火控制器E与混合式气体发生器A通讯连接，用于向混合式气体发生器A发送点火信号指令；传感器设置在发动机腔内，用于测量固体发动机腔内的信息数据；安全阀F设置在密封连接装置D与混合式气体发生器A的连接处，用于调节固体发动机内腔的压力。
优选的，上述系统还包括数据处理装置G和数据采集器；传感器包括温度和/或压力数据传感器B1和大应变数据传感器B2；数据采集器包括温度和/或压力采集器C1和大应变采集器C2，述温度和/或压力采集器C1和大应变采集器C2共同连接于数据处理装置G；温度和/或压力数据传感器B1设置于发动机内腔中以测量其中的温度和/或压力数据，大应变数据传感器B2设置于发动机内腔中以测量其中的大应变数据；温度和/或压力采集器C1与温度和/或压力数据传感器B1连接，大应变采集器C2与大应变数据传感器B2连接。
本发明实施例的便携式固体发动机冷增压试验系统的原理如图1所示，它质量轻便，使用安全，克服了传统高压氮气加压式冷增压试验系统其原理如图2所示重量大且不便移动的缺点，其中气源控制器、气压控制器主要用于控制高压氮气的开关及压力，加快了增压速度，降低了高压气体冲刷温度，本发明结构简单、操作便捷，满足固体发动机多任务场景的试验需求。
其中的混合式气体发生器A的结构示意如图3所示，包括密封在缸体中的点火器A1、点火药A2、活塞A3、高压气体A4和设置在缸体端口的降温管A5、喷管A6，点火器A1和点火药A2设置在缸体中活塞A3一侧，高压气体A4、降温管A5和喷管A6设置在A3另一侧，点火器A1点燃点火药A2燃烧和/或爆炸产生的高压气体做功，推动活塞A3引起高压气体冲破爆破片，通过降温管A5和喷管A6喷出，实现固体发动机内腔的快速建压；所述混合式气体发生器A范围为0.2kg-0.5kg，长度小于300mm，充气时间通常小于20ms。
优选密封连接装置D为不锈钢材质，质量范围为1kg-3kg，一端与发动机腔体固定连接，另一端与混合式气体发生器A固定连接。
优选传感器包括温度和/或压力数据传感器B1用于获取发动机腔体中的温度和/或压力；大应变数据传感器B2用于采集发动机内腔的变形数据。
优选本发明的混合式气体发生器A和点火控制器E包括数量相同的多组；所述密封连接装置D上设置有与混合式气体发生器A数量相同的连接孔，所述多组混合式气体发生器A经密封连接装置D的连接孔与发动机端部连通，这样可以根据增压需要使用多个混合式气体发生器A同时对发动机进行增压。
优选本发明的便携式固体发动机冷增压试验系统的总质量小于6Kg，增压时间不超过30ms。
优选混合式气体发生器A的高压气体冲刷温度低于80℃。
优选点火药A2主要包括黑火药、叠氮化钠及燃速调节剂。
优选降温管A5为涡流型降温管。
数据处理装置G为计算机。
在本实施例中，便携式固体发动机冷增压试验系统的混合式气体发生器A的质量约0.5Kg、密封连接装置D的质量约为2Kg、其它质量约为3Kg，总质量小于6Kg。而传统高压氮气加压式冷增压试验系统的总质量不少于100Kg。
在本实施例中，通过混合式气体发生器A的使用，实现了固体发动机的快速增压，快速增压时间约为20ms，同时高压气体冲刷温度低于80℃，温度无明显升高。而传统高压氮气加压式冷增压试验系统受制于高压阀门的开启速率和阀门口径，导致快速增压时间通常大于1s。
实施例2
利用实施例1的所述便携式固体发动机冷增压试验系统进行发动机增压试验，过程如下：
1、确定试验需求。若某一尺寸固体发动机需要开展冷增压试验，增压需求为60ms内增压到10MPa，测试增压过程中发动机的结构完整性，其中一隐含需求为增压试验过程中固体发动机不着火、不发生安全问题。
2、混合式气体发生器A的选择。根据固体发动机的内腔体积V1和所需压力P1，选择混合式气体发生器A的型号或尺寸，而型号或尺寸的主要指标是其内部的氮气压力P2和容积V2，通常P2·V2≈1.2P1·V1。
本发明混合式气体发生器A的质量通常小于0.5Kg。图4为某一型号混合式气体发生器A在环境温度、低温及高温下的P-t曲线，其中被充气容积为28.3L，混合式气体发生器A的尺寸为Ф30mm×252mm，重量为0.42Kg。
3、安全阀F的选择。安全阀F的临界泄压力应为1.2P1。
4、密封连接装置的设计与加工。根据固体发动机、混合式气体发生器A、安全阀F及数据线的几何尺寸进行设计，需要一端与发动机固定连接，一端与混合式气体发生器A固定连接，同时起动密封、数据传递等作用。密封连接装置材质选不锈钢即可，质量通常小于3Kg。
5、冷增压试验系统的安装：首先把传感器包括温度和/或压力数据传感器B1放置在发动机内腔中，把大应变数据传感器B2粘贴在发动机内腔表面；然后把密封连接装置D一端固定在发动机，同时把传感器数据线穿出，另一端安装混合式气体发生器A、安全阀F、泄压阀；接着把点火控制器E与混合式气体发生器A连接，把传感器数据线与数据采集装置连接，并调试数据采集是否正常。
6、冷增压试验系统的安全性设计：混合式气体发生器A的产气方式决定了其增压过程的温升不会超过80℃，保证了发动机不会被点燃。点火控制器E、数据采集装置均可通过数据线放置在安全场所，满足试验过程对安全距离的需求。
7、试验。点火控制器E点火，混合式气体发生器A中贮存的高压气体氮气被瞬间发动机内腔中，然后通过传感器记录发动机内腔中的温度及压力、内腔表面的应变，试验结束后通过泄压阀排空气体。
8、结果分析。根据发动机内腔中的温度及压力判断试验是否满足要求，通过内腔表面的应变判断发动机结构是否完整。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，包括：混合式气体发生器(A)；传感器；密封连接装置(D)；点火控制器(E)和安全阀(F)；
所述混合式气体发生器(A)经密封连接装置(D)与固体发动机端部密封连通；
所述点火控制器(E)与所述混合式气体发生器(A)通讯连接，用于向混合式气体发生器(A)发送点火信号指令；
所述传感器设置在发动机腔内，用于测量固体发动机腔内的信息数据；
所述安全阀(F)设置在密封连接装置(D)与混合式气体发生器(A)的连接处，用于调节固体发动机内腔的压力。
2.如权利要求1所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，
还包括数据处理装置(G)和数据采集器；
所述传感器包括温度和/或压力数据传感器(B1)和大应变数据传感器(B2)；
所述数据采集器包括温度和/或压力采集器(C1)和大应变采集器(C2)，所述述温度和/或压力采集器(C1)和大应变采集器(C2)共同连接于数据处理装置(G)；
所述温度和/或压力数据传感器(B1)设置于发动机内腔中以测量其中的温度和/或压力数据，所述大应变数据传感器(B2)设置于发动机内腔中以测量其中的大应变数据；
所述温度和/或压力采集器(C1)与所述温度和/或压力数据传感器(B1)连接，所述大应变采集器(C2)与所述大应变数据传感器(B2)连接。
3.如权利要求1所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，所述混合式气体发生器(A)包括密封在缸体中的点火器(A1)、点火药(A2)、活塞(A3)、高压气体(A4)和设置在缸体端口的降温管(A5)、喷管(A6)，点火器(A1)和点火药(A2)设置在缸体中活塞(A3)一侧，高压气体(A4)、降温管(A5)和喷管(A6)设置在(A3)另一侧，点火器(A1)点燃点火药(A2)燃烧和/或爆炸产生的高压气体做功，推动活塞(A3)引起高压气体冲破爆破片，通过降温管(A5)和喷管(A6)喷出，实现固体发动机内腔的快速建压；所述混合式气体发生器(A)范围为0.2kg-0.5kg，长度小于300mm，充气时间通常小于20ms。
4.如权利要求1所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，所述密封连接装置(D)为不锈钢材质，质量范围为1kg-3kg，一端与发动机腔体固定连接，另一端与混合式气体发生器(A)固定连接。
5.如权利要求2所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，所述传感器包括温度和/或压力数据传感器(B1)用于获取发动机腔体中的温度和/或压力；大应变数据传感器(B2)用于采集发动机内腔的变形数据。
6.如权利要求2所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，所述混合式气体发生器(A)和点火控制器(E)包括数量相同的多组；所述密封连接装置(D)上设置有与混合式气体发生器(A)数量相同的连接孔，所述多组混合式气体发生器(A)经密封连接装置(D)的连接孔与发动机端部连通。
7.如权利要求2所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，所述便携式固体发动机冷增压试验系统的总质量小于6Kg，增压时间不超过30ms。
8.如权利要求2或3所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，混合式气体发生器(A)的高压气体冲刷温度低于80℃。
9.如权利要求3所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，所述点火药(A2)包括黑火药、叠氮化钠和燃速调节剂。
10.如权利要求3所述的便携式固体发动机冷增压试验系统，其特征在于，所述降温管(A5)为涡流型降温管。
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