CN114778757B - 一种“十字”型可视化振动实验发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种“十字”型可视化振动实验发动机，属于固体火箭推进剂振动过载下燃烧性能实验领域。本发明采用双喷管结构，双喷管与发动机壳体垂直且对称，能够抵消燃气产生的推力，避免对振动台和可视化组件产生影响；同时采用可视化组件，用于观察振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程，进而得到预设时间间隔的平均燃速；此外，通过优化尽量减小发动机壳体壁厚，且发动机主体选用轻质材料降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求。壳体与端盖之间、喷管底座与喷管封头之间、泄压阀封头与底座之间均采用螺纹连接，整体方便安装与拆卸，且发动机内部所有裸露部分均由绝热层保护，能够反复使用，成本低。

Description

一种“十字”型可视化振动实验发动机

技术领域

本发明涉及一种“十字”型可视化振动实验发动机，属于固体火箭推进剂振动过载下燃烧性能实验领域。

背景技术

战术导弹在做跨音速加速或者大攻角机动时，由于气体动力的作用，很容易引起发动机的颤振。然而目前国内对于飞行环境下的振动现象缺乏重视，对于振动条件下固体推进剂的燃烧性能研究较少，研究主要集中在各种地面振动试验(非点火状态)，如公路运输振动、铁路运输振动的力学环境实验。因此有必要进行振动条件下，尤其是进行高频、高振动过载下的点火实验，研究固体推进剂在振动过载下的燃烧性能，为固体火箭发动机设计提供指导。然而现有的振动条件下点火实验装置，如某典型振动条件下发动机点火试验研究中采用的装置，装置复杂、体积大、沉重，无法进行高频、高振动过载下的试验研究。

发明内容

为了解决现有技术无法对固体火箭推进剂进行高频、高振动过载下燃烧性能实验的问题。本发明的主要目的是提供一种“十字”型可视化振动实验发动机，采用双喷管结构，双喷管与发动机壳体垂直且对称，能够抵消燃气产生的推力，避免对振动台和可视化组件产生影响；同时采用可视化组件，用于观察振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程，进而得到预设时间间隔的平均燃速；此外，通过优化尽量减小发动机壳体壁厚，且发动机主体选用轻质材料降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求。

所述高频指振动频率高于100Hz。

所述高振动过载指振动过载高于30g。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机，包括端盖1、壳体2、药杯3、固体推进剂4、点火药5、点火器密封件6、绝热套7、绝热板8、堵头9、可视化通道10、石英玻璃11、镜子12、相机13、传感器基座14、泄压阀底座15、泄压阀16、泄压阀封头17、喷管底座18、喷管19、喷管封头20、喷管衬套21。

壳体2为中空圆柱体，绝热套7和绝热板8保护壳体2内部裸露部分，使壳体2内部免受高温高压燃气侵蚀，能够重复使用，节约成本。壳体2右端开孔，用于方便实验后取出绝热板8。点火药5放置在壳体2内部靠近推进剂4初始燃面处，通过点火线与外界相连，并用点火器密封件6进行密封。固体推进剂4提前浇注在药杯3里面，并放置在壳体2右侧。壳体2两端分别用端盖1和堵头9通过螺纹进行密封连接。

发动机采用双喷管结构，双喷管垂直于壳体2且对称，用于抵消燃气产生的推力，避免对振动台和可视化组件产生影响。所述双喷管结构共同构成发动机的排气装置，用于排气。单个发动机喷管主要由喷管底座18、喷管19、喷管封头20、喷管衬套21构成，其中喷管19喉部直径可以根据实验需求现场钻取。

可视化通道10、石英玻璃11、镜子12、高速摄影相机13共同组成发动机的可视化组件，用于观察高振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程，得到预设时间间隔的平均燃速，即实现对发动机动态燃速的直接测量。所述预设时间间隔为高速摄影相机13拍摄两幅照片的时间间隔。

传感器基座14用于安装高频压力传感器，进而采集振动点火条件下的发动机内弹道。

泄压阀底座15、泄压阀16、泄压阀封头17共同组成发动机的安全装置，当燃烧室压强异常增大的时候，泄压阀16爆破，燃气从泄压阀位置排出，保障实验设备和人员安全。

为了降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求，通过优化尽量减小中空圆柱体壳体的壁厚，作为优选，所述轻质材料优选铝合金材料。

本发明公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机的装配方法为：可视化通道10、传感器基座14、泄压阀底座15、喷管底座18通过焊接和壳体2连接在一起；将绝热板8放入壳体2内部；将绝热套7放入壳体2内部，注意绝热套7上的孔与壳体2上的孔一一对应；将点火药5放入壳体2内部，通过点火线与外界相连；点火器密封件6通过螺纹与壳体2相连；固体推进剂4提前浇注在药杯3内；将浇注好的药杯推进剂燃面侧朝内放入壳体2左侧；右侧端盖1通过螺纹与壳体2相连；石英玻璃11通过封头与可视化通道10通过螺纹连接；堵头9通过螺纹与壳体2连接；将喷管衬套21、喷管20放入喷管底座18，喷管封头20通过螺纹与喷管底座18连接；将泄压阀16，凹面朝上，放入泄压阀底座15内；泄压阀封头17通过螺纹与泄压阀底座15连接在一起。

本发明公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机的工作方法为：

将“十字”型可视化振动实验发动机按照上述装配方法完成装配；

将装配好的“十字”型可视化振动实验发动机按照需要的实验工况固定在振动台上。高频压力传感器通过螺纹与传感器基座14相连，同时和采集系统相连。调节镜子12、高速摄影相机13的位置和角度保证高速摄影相机13能够拍摄到固体推进剂4的燃面，固定镜子12、高速摄影相机13。将点火线与“十字”型可视化振动实验发动机相连。

打开高速摄影相机13，开启振动试验台，由于发动机主体通过优化尽量减小发动机壳体壁厚且选用轻质材料降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求，振动台开始振动，待振动平稳后，开启数据采集系统，随后“十字”型可视化振动实验发动机点火，由于采用双喷管结构，双喷管与发动机壳体垂直且对称，能够抵消燃气产生的推力，进而保证振动台在点火过程中的平稳振动，避免对振动台和可视化组件产生影响，提高实验安全性。同时采用可视化组件，用于观察振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程。

采集振动过载下发动机壳体内的压强，得到压强时间曲线，同时记录燃面燃烧和退移过程。

关闭数据采集系统和振动台，停止振动后关闭摄像机。更换实验发动机绝热层和装药，改变实验工况，重复实验，进行不同振动频率和过载下的点火实验。

试验结束以后，通过高速摄影相机选取两张图像，计算两张图像之间的燃面退移距离ΔL和两张图像之间的时间Δt，利用燃速公式r＝l/t得预设时间间隔的平均燃速，即实现对发动机动态燃速的直接测量。

当燃烧室压强异常增大的时候，泄压阀爆破，燃气从泄压阀位置排出，保障实验设备和人员安全。

有益效果

1、本发明公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机，由于采用双喷管结构，双喷管与发动机壳体垂直且对称，能够抵消燃气产生的推力，进而保证振动台在点火过程中的平稳振动，避免对振动台和可视化组件产生影响，提高实验安全性；同时采用可视化组件，用于观察振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程，进而得到预设时间间隔的平均燃速，即实现对发动机动态燃速的直接测量。

2、本发明公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机，通过优化尽量减小发动机壳体壁厚，且由于发动机主体选用铝合金轻质材料降低发动机质量，进而减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求，更易进行高频、高振动过载下的点火实验。

3、本发明公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机，壳体与端盖之间、喷管底座与喷管封头之间、泄压阀封头与底座之间均采用螺纹连接，整体方便安装与拆卸，且发动机内部所有裸露部分均由绝热层保护，能够反复使用，成本低。

附图说明

图1为本“十字”型可视化振动实验发动机的示意图；图a为主视图剖面图；图(b)为沿着高压燃烧器喷管轴线左视图剖面图；

其中，1-端盖，2-壳体，3-药杯，4-固体推进剂，5-点火药，6-点火器密封件，7-绝热套，8-绝热板，9-堵头，10-可视化通道，11-石英玻璃，12-镜子，13-高速摄影相机，14-传感器基座，15-泄压阀底座，16-泄压阀，17-泄压阀封头，18-喷管底座，19-喷管，20-喷管封头，21-喷管衬套。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图和具体的实施例来对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，本实施例公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机，包括端盖1、壳体2、药杯3、固体推进剂4、点火药5、点火器密封件6、绝热套7、绝热板8、堵头9、可视化通道10、石英玻璃11、镜子12、相机13、传感器基座14、泄压阀底座15、泄压阀16、泄压阀封头17、喷管底座18、喷管19、喷管封头20、喷管衬套21。

壳体2为中空圆柱体，内径90mm，总长185mm，绝热套7和绝热板8保护壳体2内部裸露部分，使壳体2内部免受高温高压燃气侵蚀，能够重复使用，节约成本。壳体2右端开孔，用于方便实验后取出绝热板8。点火药5放置在壳体2内部靠近推进剂4初始燃面处，通过点火线与外界相连，并用点火器密封件6进行密封。固体推进剂4提前浇注在药杯3里面，并放置在壳体2右侧。壳体2两端分别用端盖1和堵头9通过螺纹进行密封连接。

发动机采用双喷管结构，双喷管垂直于壳体2且对称，用于抵消燃气产生的推力，避免对振动台和可视化组件产生影响。所述双喷管结构共同构成发动机的排气装置，用于排气。单个发动机喷管主要由喷管底座18、喷管19、喷管封头20、喷管衬套21构成，其中喷管19喉部直径可以根据实验需求现场钻取。

可视化通道10、石英玻璃11、镜子12、高速摄影相机13共同组成发动机的可视化组件，用于观察高振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程，得到预设时间间隔的平均燃速，即实现对发动机动态燃速的直接测量。所述预设时间间隔为高速摄影相机13拍摄两幅照片的时间间隔。

传感器基座14用于安装高频压力传感器，进而采集振动点火条件下的发动机内弹道。

泄压阀底座15、泄压阀16、泄压阀封头17共同组成发动机的安全装置，当燃烧室压强异常增大的时候，泄压阀16爆破，燃气从泄压阀位置排出，保障实验设备和人员安全。

为了降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求，通过优化尽量减小中空圆柱体壳体的壁厚，所述轻质材料优选铝合金材料。

本实施例公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机的装配方法为：可视化通道10、传感器基座14、泄压阀底座15、喷管底座18通过焊接和壳体2连接在一起；将绝热板8放入壳体2内部；将绝热套7放入壳体2内部，注意绝热套7上的孔与壳体2上的孔一一对应；将点火药5放入壳体2内部，通过点火线与外界相连；点火器密封件6通过螺纹与壳体2相连；固体推进剂4提前浇注在药杯3内；将浇注好的药杯推进剂燃面侧朝内放入壳体2左侧；右侧端盖1通过螺纹与壳体2相连；石英玻璃11通过封头与可视化通道10通过螺纹连接；堵头9通过螺纹与壳体2连接；将喷管衬套21、喷管20放入喷管底座18，喷管封头20通过螺纹与喷管底座18连接；将泄压阀16，凹面朝上，放入泄压阀底座15内；泄压阀封头17通过螺纹与泄压阀底座15连接在一起。

本实施例公开的一种“十字”型可视化振动实验发动机的工作方法为：

将“十字”型可视化振动实验发动机按照上述装配方法完成装配；

将装配好的“十字”型可视化振动实验发动机按照需要的实验工况固定在振动台上。高频压力传感器通过螺纹与传感器基座14相连，同时和采集系统相连。调节镜子12、高速摄影相机13的位置和角度保证高速摄影相机13能够拍摄到固体推进剂4的燃面，固定镜子12、高速摄影相机13。将点火线与“十字”型可视化振动实验发动机相连。

打开高速摄影相机13，开启振动试验台，由于发动机主体通过优化尽量减小发动机壳体壁厚且选用轻质材料降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求，振动台开始振动，待振动平稳后，开启数据采集系统，随后“十字”型可视化振动实验发动机点火，由于采用双喷管结构，双喷管与发动机壳体垂直且对称，能够抵消燃气产生的推力，进而保证振动台在点火过程中的平稳振动，避免对振动台和可视化组件产生影响，提高实验安全性。同时采用可视化组件，用于观察振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程。

采集振动过载下发动机壳体内的压强，得到压强时间曲线，同时记录燃面燃烧和退移过程。

关闭数据采集系统和振动台，停止振动后关闭摄像机。更换实验发动机绝热层和装药，改变实验工况，重复实验，进行不同振动频率和过载下的点火实验。

试验结束以后，通过高速摄影相机13选取两张图像，计算两张图像之间的燃面退移距离ΔL和两张图像之间的时间Δt，利用燃速公式r＝l/t得预设时间间隔的平均燃速，即实现对发动机动态燃速的直接测量。

当燃烧室压强异常增大的时候，泄压阀16爆破，燃气从泄压阀位置排出，保障实验设备和人员安全。

以上描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方法，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种“十字”型可视化振动实验发动机，其特征在于：包括端盖、壳体、药杯、固体推进剂、点火药、点火器密封件、绝热套、绝热板、堵头、可视化通道、石英玻璃、镜子、相机、传感器基座、泄压阀底座、泄压阀、泄压阀封头、喷管底座、喷管、喷管封头、喷管衬套；

壳体为中空圆柱体，绝热套和绝热板保护壳体内部裸露部分，使壳体内部免受高温高压燃气侵蚀，能够重复使用，节约成本；壳体右端开孔，用于方便实验后取出绝热板；点火药放置在壳体内部靠近推进剂初始燃面处，通过点火线与外界相连，并用点火器密封件进行密封；固体推进剂提前浇注在药杯里面，并放置在壳体右侧；壳体两端分别用端盖和堵头通过螺纹进行密封连接；

发动机采用双喷管结构，双喷管垂直于壳体且对称，用于抵消燃气产生的推力，避免对振动台和可视化组件产生影响；所述双喷管结构共同构成发动机的排气装置，用于排气；单个发动机喷管主要由喷管底座、喷管、喷管封头、喷管衬套构成，其中喷管喉部直径可以根据实验需求现场钻取；

可视化通道、石英玻璃、镜子、高速摄影相机共同组成发动机的可视化组件，用于观察高振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程，得到预设时间间隔的平均燃速，即实现对发动机动态燃速的直接测量；所述预设时间间隔为高速摄影相机拍摄两幅照片的时间间隔；

传感器基座用于安装高频压力传感器，进而采集振动点火条件下的发动机内弹道；

泄压阀底座、泄压阀、泄压阀封头共同组成发动机的安全装置，当燃烧室压强异常增大的时候，泄压阀爆破，燃气从泄压阀位置排出，保障实验设备和人员安全。

2.如权利要求1所述的一种“十字”型可视化振动实验发动机，其特征在于：为了降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求，通过优化尽量减小中空圆柱体壳体的壁厚，所述壳体为轻质材料。

3.如权利要求1或2所述的一种“十字”型可视化振动实验发动机，其特征在于：装配方法为，可视化通道、传感器基座、泄压阀底座、喷管底座通过焊接和壳体连接在一起；将绝热板放入壳体内部；将绝热套放入壳体内部，注意绝热套上的孔与壳体上的孔一一对应；将点火药放入壳体内部，通过点火线与外界相连；点火器密封件通过螺纹与壳体相连；固体推进剂提前浇注在药杯内；将浇注好的药杯推进剂燃面侧朝内放入壳体左侧；右侧端盖通过螺纹与壳体相连；石英玻璃通过封头与可视化通道通过螺纹连接；堵头通过螺纹与壳体连接；将喷管衬套、喷管放入喷管底座，喷管封头通过螺纹与喷管底座连接；将泄压阀，凹面朝上，放入泄压阀底座内；泄压阀封头通过螺纹与泄压阀底座连接在一起。

4.一种如权利要求3所述的一种“十字”型可视化振动实验发动机的工作方法，其特征在于：将“十字”型可视化振动实验发动机按照上述装配方法完成装配；

将装配好的“十字”型可视化振动实验发动机按照需要的实验工况固定在振动台上；高频压力传感器通过螺纹与传感器基座相连，同时和采集系统相连；调节镜子、高速摄影相机的位置和角度保证高速摄影相机能够拍摄到固体推进剂的燃面，固定镜子、高速摄影相机；将点火线与“十字”型可视化振动实验发动机相连；

打开高速摄影相机，开启振动试验台，由于发动机主体通过优化尽量减小发动机壳体壁厚且选用轻质材料降低发动机质量，减小发动机高振动过载下对振动台的激振力要求，振动台开始振动，待振动平稳后，开启数据采集系统，随后“十字”型可视化振动实验发动机点火，由于采用双喷管结构，双喷管与发动机壳体垂直且对称，能够抵消燃气产生的推力，进而保证振动台在点火过程中的平稳振动，避免对振动台和可视化组件产生影响，提高实验安全性；同时采用可视化组件，用于观察振动过载下推进剂的燃烧和燃面退移过程；

采集振动过载下发动机壳体内的压强，得到压强时间曲线，同时记录燃面燃烧和退移过程；

关闭数据采集系统和振动台，停止振动后关闭摄像机；更换实验发动机绝热层和装药，改变实验工况，重复实验，进行不同振动频率和过载下的点火实验；

试验结束以后，通过高速摄影相机选取两张图像，计算两张图像之间的燃面退移距离ΔL和两张图像之间的时间Δt，利用燃速公式r＝l/t得预设时间间隔的平均燃速，即实现对发动机动态燃速的直接测量；

当燃烧室压强异常增大的时候，泄压阀爆破，燃气从泄压阀位置排出，保障实验设备和人员安全。