CN114856866B - 用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置及碰壁侵蚀系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置及碰壁侵蚀系统，碰壁装置包括：高温环，在其环壁上竖向开设有上进气孔，加速环，沿其轴线竖向开设有下通过孔，在其环壁上自上而下、自外向内倾斜开设有下进气孔，下进气孔的上端与上进气孔的下端相对设置，下进气孔的下端与下通过孔连通，钨孔板，位于高温环和加速环之间，水平设置，用于支撑氧化铝棒，其中心开设有穿过孔，穿过孔用于氧化铝棒融化后产生的液滴通过穿过孔进入下通过孔，然后被依次通过上进气孔和下进气孔的高温氩气对液滴加速，使得液滴高速向下滴落；本发明有效解决了固体火箭发动机中高速高温氧化铝液滴碰壁的测试难题，可以为新型固体火箭发动机研制提供保障。

Description

用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置及碰壁侵蚀系统

技术领域

本发明属于航天应用实验技术领域，尤其涉及用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置及碰壁侵蚀系统。

背景技术

在固体火箭发动机工作时，含铝推进剂会在燃烧后形成0.2-500μm的高温氧化铝液滴。氧化铝液滴在燃烧室内速度通常为0-40m/s，而在喷管处则可达到更高的速度。高速氧化铝液滴碰撞往往会加剧绝热材料烧蚀、喷管侵蚀，影响发动机性能，严重时甚至会造成发动机烧穿。

由于发动机工作时内部会产生大量烟雾，使得在发动机环境下获得高速氧化铝液滴的碰壁细节极为困难。目前，液滴产生方式主要有机械式、电磁式、压电陶瓷式以及气压驱动式液滴发生器，其产生液滴速度均在0-5m/s范围内，均无法获得高速液滴，且机械式、电磁式和压电陶瓷式液滴发生器不适用于高温熔融液滴的产生。随着新的固体火箭发动机对速度、机动性和可靠性提出了更高的要求，需寻求一种高温高速氧化铝液滴的碰壁方法来解决固体火箭发动机中氧化铝液滴碰壁测试难的问题，从而为新型固体火箭发动机研制提供保障。

发明内容

本发明的目的是提供用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置及碰壁侵蚀系统，以解决发动机环境下高速高温氧化铝液滴碰壁测试难的问题。

本发明采用以下技术方案：用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，包括：

高温环，竖向设置，沿其轴线竖向开设有用于放置氧化铝棒的上通过孔，在其环壁上竖向开设有上进气孔，上进气孔用于高温气体自上而下通过，

加速环，竖向设置，与高温环轴线重合且位于高温环的下侧，沿其轴线竖向开设有下通过孔，下通过孔与上通过孔同轴设置，在其环壁上自上而下、自外向内倾斜开设有下进气孔，下进气孔的上端与上进气孔的下端相对设置，下进气孔的下端与下通过孔连通，

钨孔板，位于高温环和加速环之间，水平设置，用于支撑氧化铝棒，其中心开设有穿过孔，穿过孔用于氧化铝棒融化后产生的液滴通过穿过孔进入下通过孔，然后被依次通过上进气孔和下进气孔的高温氩气对液滴加速，使得液滴高速向下滴落。

进一步地，还包括：模拟壁面，位于加速环的下侧预定距离内，其上侧用于液滴高速碰撞在其上，进而测试对模拟壁面的碰壁侵蚀情况。

进一步地，还包括：隔热套，竖向设置，为顶部和底部开口的中空管体，套设在高温环和加速环的外围，用于对其进行隔热。

进一步地，还包括：

上隔热板，水平设置，其中心位置开设有用于气体通过、且与上通过孔连通的通孔，位于高温环的上侧，用于隔热。

进一步地，还包括：下隔热板，水平设置，其中心位置开设有用于液滴通过的通孔，位于加速环的下侧，用于隔热。

进一步地，还包括：

上水冷端盖，水平设置，其中心位置开设有用于气体通过的通孔，其板面上还开设有用于高温气体通过、且与上进气孔相连通的通孔，位于上隔热板上侧，并与隔热套螺栓连接，

下水冷端盖，水平设置，其中心位置开设有用于液滴通过的通孔，位于下隔热板下侧，并与隔热套螺栓连接。

进一步地，上进气孔设置有两个、且对称设置，下进气孔也设置有两个、且对称设置。

用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁侵蚀系统，包括：

高压气瓶，其内装有压缩气体，

碰壁装置，其上通过孔通过加热管道与高压气瓶相连通，其外壁套设有电磁感应加热器的线圈，用于对碰壁装置内的氧化铝棒进行加热，使其融化变成液滴通过钨孔板的穿过孔，

加热石墨，为中空的柱状，其外壁绕设有电磁感应加热器的线圈，其一侧开口通过加速管道与高压气瓶相连通，其另一侧开口通过管道与碰壁装置的上进气孔相连通，用于对通过其内腔的气体进行加热并输送至碰壁装置内。

进一步地，加热管道上还设置有加热电磁阀，加速管道上还设置有加速电磁阀，

还包括：

处理模块，与加热电磁阀和加速电磁阀电连接，用于控制加热电磁阀和加速电磁阀的启闭，使得碰壁装置内的氧化铝棒融化成液滴后，利用加热石墨加热后的气体对液滴进行加速，使其下落至模拟壁面。

本发明的有益效果是：本发明采用上隔热板、下隔热板及隔热套隔绝坩埚的对外热传导及热辐射，在此基础上采用电磁感应加热可以有效融化高熔点的氧化铝，可通过不同加热功率及加热时间控制氧化铝温度，并采用气压驱动的方法获得氧化铝液滴；通过加热石墨将加速气流加热，可以保证气流在加速氧化铝液滴时不会造成液滴凝固，并使其获得较高的速度；本发明有效解决了固体火箭发动机中高速高温氧化铝液滴碰壁的测试难题，可以为新型固体火箭发动机研制提供保障。

附图说明

图1是本发明中碰壁装置的结构示意图；

图2是本发明中碰壁侵蚀系统的结构示意图；

图3是本发明实施例1中氧化铝液滴高速碰撞石墨壁面的图像；

图4是本发明实施例2中氧化铝液滴低速侵蚀三元乙丙绝热层的图像。

其中：1、上水冷端盖；2、上隔热板；3、隔热套；4、高温环；5、氧化铝棒；6、钨孔板；7、加速环；8、下隔热板；9、模拟壁面；10、下水冷端盖；11、下通过孔；12、下进气孔；13、穿过孔；14、上进气孔；15、上通过孔；16、电磁感应加热器；17、高压气瓶；18、处理模块；19、减压阀；20、加热电磁阀；21、加速电磁阀；22、加热石墨。

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。

本发明公开了用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，如图1所示，包括高温环4、加速环7、钨孔板6。

高温环4竖向设置，沿高温环4轴线竖向开设有上通过孔15，上通过孔15用于放置氧化铝棒5，在高温环4环壁上竖向开设有上进气孔14，上进气孔14用于高温气体自上而下通过。

加速环7竖向设置，加速环7与高温环4轴线重合且位于高温环4的下侧，沿加速环7轴线竖向开设有下通过孔11，下通过孔11与上通过孔15同轴设置，在加速环7环壁上自上而下、自外向内倾斜开设有下进气孔12，下进气孔12的上端与上进气孔14的下端相对设置，下进气孔12的下端与下通过孔11连通。

钨孔板6位于高温环4和加速环7之间，钨孔板6水平设置，钨孔板6用于支撑氧化铝棒5，钨孔板6中心开设有穿过孔13，穿过孔13的孔径为0.1～1mm，穿过孔13用于氧化铝棒5融化后产生的液滴通过穿过孔13进入下通过孔11，然后被依次通过上进气孔14和下进气孔12的高温氩气对液滴加速，使得液滴高速向下滴落。

碰壁装置还包括：模拟壁面9，模拟壁面9位于加速环7的下侧预定距离内，模拟壁面9的上侧用于液滴高速碰撞在其上，进而测试液滴对模拟壁面9的碰壁侵蚀情况。模拟壁面9可选择发动机内常用的壁面材料，即石墨、绝热层等。

碰壁装置还包括：隔热套3，隔热套3竖向设置，隔热套3为顶部和底部开口的中空管体，隔热套3套设在高温环4和加速环7的外围，隔热套3用于隔离加速环7和高温环4的热辐射。

碰壁装置还包括：上隔热板2和下隔热板8，上隔热板2水平设置，上隔热板2中心位置开设有用于气体通过的通孔，上隔热板2位于高温环4的上侧，上隔热板2用于隔热；下隔热板8水平设置，下隔热板8中心位置开设有用于液滴通过的通孔，下隔热板8位于加速环7的下侧，下隔热板8用于隔热。上隔热板2和下隔热板8采用高熔点氧化物陶瓷，如氧化锆等制作。

碰壁装置还包括：上水冷端盖1和下水冷端盖10，上水冷端盖1水平设置，上水冷端盖1中心位置开设有用于气体通过、且与上通过孔15连通的通孔，上水冷端盖1板面上还开设有用于高温气体通过、且与上进气孔14相连通的通孔，上水冷端盖1位于上隔热板2上侧，并与隔热套3螺栓连接，下水冷端盖10水平设置，下水冷端盖10中心位置开设有用于液滴通过的通孔，下水冷端盖10位于下隔热板8下侧，并与隔热套3螺栓连接，上水冷端盖1和下水冷端盖10内铺设有冷却通道，冷却通道用于防止上水冷端盖1和下水冷端盖10发生热破坏。

上进气孔14设置有两个、且对称设置，下进气孔12也设置有两个、且对称设置，通过设置两个上进气孔14和两个下进气孔12，可以使得液滴在下落过程中被加速，进而顺利的碰撞在模拟壁面9上。

本发明还公开了用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁侵蚀系统，如图2所示，包括：高压气瓶17、碰壁装置、加热石墨22。

高压气瓶17内装有压缩气体，碰壁装置的上通过孔15通过加热管道与高压气瓶17相连通，碰壁装置的外壁套设有电磁感应加热器16的线圈，线圈用于对碰壁装置内的氧化铝棒5进行加热，使其融化变成液滴通过钨孔板6的穿过孔13。

加热石墨22为中空的柱状，加热石墨22的外壁绕设有电磁感应加热器16的线圈，加热石墨22的一侧开口通过加速管道与高压气瓶17相连通，加热石墨22的另一侧开口通过管道与碰壁装置的上进气孔14相连通，加热石墨22用于对通过其内腔的气体进行加热并输送至碰壁装置内，加速管道上还设置有减压阀19。

碰壁侵蚀系统还包括处理模块18，加热管道上还设置有加热电磁阀20，加速管道上还设置有加速电磁阀21，处理模块18与加热电磁阀20和加速电磁阀21电连接，处理模块18用于控制加热电磁阀20和加速电磁阀21的启闭，使得碰壁装置内的氧化铝棒5融化成液滴后，利用加热石墨22加热后的气体对液滴进行加速，使其下落至模拟壁面9。

用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁侵蚀系统的使用方法，由以下步骤组成：

步骤1：选取一定长度的氧化铝棒5放置于高温环4内、且钨孔板6上侧。

步骤2：设定加热电磁阀20的通断时间，用以控制生成液滴的粒径及初始速度，设定加速电磁阀21的通断时间，用以控制液滴的加速程度。设定加热电磁阀20与加速电磁阀21的作动间隔时间，确保液滴在生成后下落一段时间加速电磁阀21开启，气流从加速环7的下进气孔12喷出对液滴进行加速。

步骤3：开启高压气瓶17并调节减压阀19，随后开启电磁感应加热器16对加热石墨22进行加热，将加热石墨22加热后，利用电磁感应加热器16对高温环4进行加热，直至氧化铝棒5融化。

步骤4：开启加速电磁阀21，将管道中的冷气置换为加热石墨22中的热气，随后继续加热高温环4一段时间，确保氧化铝保持熔融状态。

步骤5：按设定时序开启加热电磁阀20和加速电磁阀21，液滴产生并加速后碰撞至模拟壁面9；加热电磁阀20及加速电磁阀21作动间隔时间为1～50ms。

步骤6：关闭电磁感应加热器16，随后关闭高压气瓶17，待冷却后开启加热电磁阀20及加速电磁阀21，确保管道内残留气体排出。

实施例1

步骤1：选取直径9mm、长度10mm的氧化铝棒5放置于高温环4中。

步骤2：在处理模块18上设定加热电磁阀20的通断时间为1ms，用以控制生成液滴的粒径及初始速度。设定加速电磁阀21的通断时间为10ms，用以控制液滴的加速程度。设定加热电磁阀20与加速电磁阀21的时序，确保液滴在生成后下落一段时间加速电磁阀21开启，两个电磁阀作动间隔时间为2ms。

步骤3：开启高压气瓶17并调节减压阀19，减压阀19后的压强为0.2MPa，随后开启电磁感应加热器16对加热石墨22进行加热，加热功率为30KW，5min后利用电磁感应加热器16对高温环4进行加热，高温环4加热功率为30KW，加热时间为4.5min。

步骤4：开启加速电磁阀21，将管道中的冷气置换为加热石墨22中的热气，1s后关闭加速电磁阀21。随后继续加热高温环4 2min，确保氧化铝保持熔融状态。

步骤5：按设定时序开启加热电磁阀20和加速电磁阀21，液滴产生并加速碰撞模拟壁面9，模拟壁面9材质为石墨。

步骤6：关闭电磁感应加热器16，随后关闭高压气瓶17，待冷却后开启加热电磁阀20及加速电磁阀21，确保管道内残留气体排出。

实施例2

步骤1：选取直径9mm、长度10mm的氧化铝棒5放置于高温环4中。

步骤2：在处理模块18上设定加热电磁阀20的通断时间为1ms，用以控制生成液滴的粒径及初始速度。设定加速电磁阀21的通断时间为0ms，不对液滴进行加速。

步骤3：开启高压气瓶17并调节减压阀19，减压阀19后的压强为0.15MPa，利用电磁感应加热器16对高温环4进行加热，高温环4加热功率为30KW，加热时间为4.5min。

步骤4：按设定时序开启加热电磁阀20，液滴产生并碰撞模拟壁面9，模拟壁面9材质为三元乙丙绝热层。

步骤5：关闭电磁感应加热器16，随后关闭高压气瓶17，待冷却后开启加热电磁阀20及加速电磁阀21，确保管道内残留气体排出。

对实施例1、2所获得的氧化铝液滴碰壁过程进行了高速摄影，分别获得了液滴的粒径及速度，图像分别如图3和图4所示，具体参数如下表1所示：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，其特征在于，包括：

高温环(4)，竖向设置，沿其轴线竖向开设有用于放置氧化铝棒(5)的上通过孔(15)，在其环壁上竖向开设有上进气孔(14)，所述上进气孔(14)用于高温气体自上而下通过，

加速环(7)，竖向设置，与所述高温环(4)轴线重合且位于高温环(4)的下侧，沿其轴线竖向开设有下通过孔(11)，所述下通过孔(11)与上通过孔(15)同轴设置，在其环壁上自上而下、自外向内倾斜开设有下进气孔(12)，所述下进气孔(12)的上端与上进气孔(14)的下端相对设置，所述下进气孔(12)的下端与下通过孔(11)连通，

钨孔板(6)，位于所述高温环(4)和加速环(7)之间，水平设置，用于支撑氧化铝棒(5)，其中心开设有穿过孔(13)，所述穿过孔(13)用于氧化铝棒(5)融化后产生的液滴通过穿过孔(13)进入下通过孔(11)，然后被依次通过上进气孔(14)和下进气孔(12)的高温氩气对液滴加速，使得液滴高速向下滴落。

2.根据权利要求1所述的用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，其特征在于，还包括：模拟壁面(9)，位于所述加速环(7)的下侧预定距离内，其上侧用于液滴高速碰撞在其上，进而测试对模拟壁面(9)的碰壁侵蚀情况。

3.根据权利要求2所述的用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，其特征在于，还包括：隔热套(3)，竖向设置，为顶部和底部开口的中空管体，套设在高温环(4)和加速环(7)的外围，用于对其进行隔热。

4.根据权利要求3所述的用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，其特征在于，还包括：

上隔热板(2)，水平设置，其中心位置开设有用于气体通过的通孔，位于高温环(4)的上侧，用于隔热。

5.根据权利要求4所述的用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，其特征在于，还包括：下隔热板(8)，水平设置，其中心位置开设有用于液滴通过的通孔，位于加速环(7)的下侧，用于隔热。

6.根据权利要求1-4任一所述的用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，其特征在于，还包括：

上水冷端盖(1)，水平设置，其中心位置开设有用于气体通过、且与上通过孔(15)连通的通孔，其板面上还开设有用于高温气体通过、且与上进气孔(14)相连通的通孔，位于上隔热板(2)上侧，并与隔热套(3)螺栓连接，

下水冷端盖(10)，水平设置，其中心位置开设有用于液滴通过的通孔，位于下隔热板(8)下侧，并与隔热套(3)螺栓连接。

7.根据权利要求6所述的用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁装置，其特征在于，所述上进气孔(14)设置有两个、且对称设置，所述下进气孔(12)也设置有两个、且对称设置。

8.用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁侵蚀系统，其特征在于，包括：

高压气瓶(17)，其内装有压缩气体，

碰壁装置，其上通过孔(15)通过加热管道与所述高压气瓶(17)相连通，其外壁套设有电磁感应加热器(16)的线圈，用于对碰壁装置内的氧化铝棒(5)进行加热，使其融化变成液滴通过钨孔板(6)的穿过孔(13)，

加热石墨(22)，为中空的柱状，其外壁绕设有电磁感应加热器(16)的线圈，其一侧开口通过加速管道与高压气瓶(17)相连通，其另一侧开口通过管道与碰壁装置的上进气孔(14)相连通，用于对通过其内腔的气体进行加热并输送至碰壁装置内。

9.根据权利要求8所述的用于产生高速高温氧化铝液滴的碰壁侵蚀系统，其特征在于，所述加热管道上还设置有加热电磁阀(20)，所述加速管道上还设置有加速电磁阀(21)，

还包括：

处理模块(18)，与所述加热电磁阀(20)和加速电磁阀(21)电连接，用于控制加热电磁阀(20)和加速电磁阀(21)的启闭，使得碰壁装置内的氧化铝棒(5)融化成液滴后，利用加热石墨(22)加热后的气体对液滴进行加速，使其下落至模拟壁面(9)。

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