CN115492701A - 一种旋转燃烧试验用双基系推进剂装药、测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转燃烧试验用双基系推进剂装药、测试装置及测试方法，解决了旋转燃烧条件下的推进剂燃烧规律及燃烧速度表征难题。本发明的推进剂装药采用内孔和后端面燃烧方式，对于自由装填装药来说，外侧壁和前端采用阻燃材料进行包覆；对于壳体粘结装药来说，推进剂药浆浇铸于燃烧室壳体中，并在前端面浇铸阻燃材料。采用本发明的装置进行旋转燃烧试验时，旋转产生的加速度矢量垂直于装药内孔表面，通过改变固体火箭发动机的转速，实现内孔表面加速度矢量大小的改变，来获得不同连续加速度条件下推进剂装药的燃烧规律及燃烧室压强‑时间曲线，通过对燃烧室压强‑时间的离散点数据采用零维内弹道控制方程进行反演获得推进剂的瞬时燃烧速度。
Description
技术领域
本发明涉及双基系推进剂旋转燃烧测试技术，具体涉及一种旋转燃烧试验用双基系推进剂装药、测试装置及测试方法
背景技术
为满足战术导弹提高威力和飞行弹道稳定性的技术要求，通常需要固体火箭发动机绕自身高速旋转，如高速旋转稳定的火箭增程、复合增程弹、炮射导弹、末制导炮弹等。
由于离心力的作用，发动机旋转产生了径向旋转过载，这种角旋转过载提高了双基系推进剂燃烧速率，使得燃烧室压强增加，燃烧时间减少，改变了火箭发动机内弹道性能；对双基系推进剂及装药来说，旋转过载会影响配方体系中凝聚相粒子的运动规律，要保持动量守恒和径向偏差，金属和金属氧化物在双基系推进剂装药和发动机壳体上的沉积量增加，影响了双基系推进剂装药自身燃烧过程的调控；旋转会使燃烧室和喷管中的燃气流动发生变化，流动状态变化进而影响压力特性；旋转对发动机点火也有影响。复杂的侵蚀燃烧、传热、多相流动和结构响应的耦合效应，以及高性能双基系推进剂装药研制中新型含能黏合剂、添加剂及纳米金属粉等的应用，对旋转燃烧火箭发动机及双基系推进剂装药设计提出了新的挑战。据文献报道，国外的战术火箭运用过程中，就曾因为忽略旋转效应而导致一些发动机出现事故。在此背景下开展了大量的旋转条件下复合推进剂的配方设计、静态及旋转条件下的内弹道性能试验、数值模拟等研究，以期深入了解旋转条件下复合推进剂的燃烧特性规律和机理。
旋转条件下双基系推进剂燃烧速度和燃面推移及内弹道性能变化规律是燃烧性能的主要表征参数，可用于评价和表征火箭发动机旋转燃烧特性，揭示燃烧机理，最终为增程炮弹用双基系推进剂装药设计提供理论指导和技术支撑。
目前尚无可靠方法对旋转过载条件下双基系推进剂燃烧速度等进行准确可靠表征。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明一方面提供了一种旋转燃烧试验用双基系推进剂装药。
为此，本发明提供的旋转燃烧试验用双基系推进剂装药包括圆柱形药柱，该圆柱形药柱内沿轴向开设有通孔；所述圆柱形药柱侧壁包覆有第一阻燃材料，圆柱形药柱的一轴向端面包覆有第二阻燃材料。
本发明提供的旋转燃烧试验用双基系推进剂装药还可以是：包括燃烧室壳体，该燃烧室壳体内设燃烧腔，且燃烧腔轴向两端敞口；
所述燃烧腔内沿轴向浇铸或安装有圆柱形药柱，该圆柱形药柱内沿轴向开设有通孔，且圆柱形药柱与燃烧腔共轴，同时圆柱形药柱的轴向尺寸小于燃烧腔的轴向尺寸，燃烧腔内圆柱形药柱的轴向两端留有空腔；
所述圆柱形药柱侧壁与燃烧壳体内壁之间设有第一阻燃材料，所述圆柱形药柱的一端的环形面包覆有第二阻燃材料；或者，
所述圆柱形药柱侧壁与燃烧室壳体内壁之间粘结，所述圆柱形药柱的一端的环形面包覆有第二阻燃材料。
可选的，所述第一阻燃材料选自三元乙丙材料、硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂。
可选的，所述第二阻燃材料选自硝基油漆布、硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂或三元乙丙。
本发明进一步提供了一种双基系推进剂燃烧速度测试装置。为此，本发明提供的双基系推进剂燃烧速度测试装置包括燃烧室壳体，该燃烧室壳体内设燃烧腔，且燃烧腔轴向两端敞口；
所述燃烧腔内沿轴向装有点火装置、上述圆柱形药柱、挡药板、喷候和喷管座，所述双基系推进剂装药的轴向与所述安装轴向共轴，并且双基系推进剂设有第二阻燃材料的端面靠近点火装置；所述喷管座位于燃烧腔的一敞口端，燃烧室另一敞口端安装有压盖；所述点火装置包括点火支架和安装于点火支架内的点火药盒，所述点火药盒连接有点火线，所述点火线经所述通孔、挡药板、喷候和喷管座穿出燃烧室壳体；
所述压盖上设有与燃烧腔内部相通的压力传感器安装孔；
所述燃烧腔侧壁设有泄压孔，泄压孔内安装有泄压装置。
进一步，所述泄压孔在燃烧腔侧壁上位于双基系推进剂所在区域。
进一步，所述泄压装置包括安装于泄压孔中的泄压膜片，泄压膜片朝向燃烧室内的一面涂有第三阻燃材料。更进一步，所述泄压装置包括基座、泄压膜片和固定盖，所述基座内设有第一泄压通孔，所述固定该内设有第二泄压通孔，所述基座安装于泄压孔中，所述泄压膜片通过固定盖安装于第一泄压通孔中，所述泄压膜片一面朝向燃烧腔内，另一面位于第二泄压通孔中。
进一步，所述点火药盒中的点火药量为理论预估点火药量的130％以上，所述理论点火药量是根据发动机设计理论计算的点火药量。
进一步，所述压盖上设有与旋转台连接的安装孔。
进一步，本发明的的双基系推进剂燃烧速度测试装置还包括旋转台，所述燃烧室壳体通过压盖安装在旋转台上，且旋转台旋转时产生的加速度矢量垂直于双基系推进剂装药的通孔内表面。
本发明同时提供了一种双基系推进剂燃烧速度测试方法。为此，本发明所提供的测试方法是采用上述装置对双基系推进剂燃烧速度进行测试，方法包括，点火后，双基系推进剂装药在燃烧室内为未设阻燃剂的端面和通孔内表面燃烧，并且在双基系推进剂燃烧过程中，采集燃烧室内压强与时间曲线；之后采用零维内弹道性能控制方程反演获得双基系推进剂燃烧速度与时间曲线，以表征连续加速度条件下双基系推进剂瞬时燃烧速度的变化情况。
本发明的双基系推进剂装药采用内孔和后端面燃烧方式，固体火箭发动机旋转时产生的离心加速度始终作用于双基系推进剂内孔表面，随着内孔燃面的推移，加速度越来越大，便于研究不同加速度条件下装药的瞬时燃烧速度。相比现有研究及表征方法，测试产品发动机的内弹道性能，不能从本质上揭示双基系推进剂装药的燃烧规律，不能对加速度载荷条件下双基系推进剂瞬时燃烧速度进行表征，进步显著。
针对双基系推进剂装药的高能化、旋转燃烧试验的压力异常突升、安全风险异常突出等问题，本发明双基系推进剂装药后端面不包覆，燃烧时不会堵塞喷喉，防止了喷喉堵塞带来的安全问题；本发明在发动机壳体上布置泄压装置，优选对称布置，当燃烧室压强上升高于泄压膜片承载压力时，泄压膜片破裂，发动机安全泄压，保障了旋转燃烧试验中的安全性，不需要无限制增加壳体厚度来增加可靠性，也无需考虑由燃烧室壳体质量增加带来的旋转燃烧试验系统的旋转能力问题。
本发明不但可以开展自由装填双基系推进剂装药的旋转燃烧试验，而且对壳体粘结双基系推进剂装药同样适用；并且可以通过改变喷管喉径，来研究燃烧室压强改变对不同旋转条件下的装药动态燃烧规律和瞬时燃烧速度的影响；通过改变发动机旋转速度，即可获得不同大小的、连续的加速度条件下固体双基系推进剂的动态燃烧规律及瞬时燃烧速度。
本发明通过合理的设计，建立了旋转条件下双基系推进剂燃烧速度测试方法，获得了连续旋转过载条件下双基系推进剂的燃烧速度，可以有效获得双基系推进剂燃烧速度的加速度敏感性，有效解决了旋转条件下双基系推进剂燃烧速度测试表征难题。
附图说明
图1为本发明双基系推进剂装药结构示意图。
图2为本发明测试装置结构示意图。
图3为本发明实施例中泄压装置基座结构示意图。
图4为本发明实施例中泄压装置泄压膜片的结构示意图。
图5为本发明实施例中泄压装置固定盖的结构示意图。
具体实施方式
除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语根据相关领域普通技术人员的认识理解或采用已有相关方法实现。
本发明适用于自由装填双基系推进剂装药和壳体粘结双基系推进剂装药旋转燃烧规律获取和瞬时燃烧速度表征。
对于装填双基系推进剂装药，其测试用装药如图2所示，包括圆柱形药柱1-1，该圆柱形药柱内沿轴向开设有通孔；所述圆柱形药柱侧壁包覆有第一阻燃材料1-2，圆柱形药柱的一轴向端面包覆有第二阻燃材料1-3，从而，第一阻燃材料和第二阻燃材料将圆柱形装药的侧壁和一端面包覆。相应的，进一步的产品中，将适用于装填双基系推进剂的圆柱形药柱装配于燃烧室壳体中，装好后圆柱形药柱与燃烧室内燃烧腔共轴，同时圆柱形药柱的轴向尺寸小于燃烧腔的轴向尺寸，燃烧腔内圆柱形药柱的轴向两端留有空腔；从而圆柱形药柱侧壁与燃烧壳体内壁之间设有第一阻燃材料，所述圆柱形药柱的一端面包覆有第二阻燃材料。
对于壳体粘结双基系推进剂装药，旋转燃烧试验用双基系推进剂装药包括燃烧室壳体，该燃烧室壳体内设燃烧腔，且燃烧腔轴向两端敞口；所述燃烧腔内沿轴向浇筑有圆柱形药柱，该圆柱形药柱内沿轴向开设有通孔，且圆柱形药柱与燃烧腔共轴，同时圆柱形药柱的轴向尺寸小于燃烧腔的轴向尺寸，燃烧腔内圆柱形药柱的轴向两端留有空腔；所述圆柱形药柱侧壁与燃烧室壳体内壁之间粘结，所述圆柱形药柱的一端面包覆有第二阻燃材料。
本发明的燃烧腔内的圆柱形药柱内设轴向通孔，并且在侧壁及一端面包覆或涂覆阻燃材料，或者圆柱形侧壁与燃烧室内壁粘结，同时一端面包覆或涂覆阻燃材料，从而实现在燃烧测试时，药柱为内孔和后端面燃烧方式，发动机旋转时产生的加速度矢量垂直于内孔表面施加。进一步考虑到加工及相关燃烧工艺要求，第一阻燃材料还需考虑加速度条件下所形成包覆层应具有较好的耐烧蚀性能和力学性能，具体可选三元乙丙材料、硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂等阻燃材料，优选三元乙丙类包覆材料。第二阻燃材料还需考虑或满足容易燃烧、燃烧后残渣小避免喷管堵塞的要求(随燃烧产物一起吹出喷管，如硅橡胶等燃烧后成块状，会堵塞喷管)，具体可选硝基油漆布、硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂或三元乙丙。优选硝基油漆布涂液，具体涂覆时，将制作好的包覆刷涂液均匀刷涂在包覆装药的端面，一般刷涂3～5遍，附着厚度约为2mm。
还需要解释说明的是，旋转条件下，装药受到的切向速度与旋转速度成正比，为尽量减少切向速度对燃烧室压强的影响，双基系推进剂装药外径要尽可能小，然而装药外径越小，要想获得大范围加速度条件下的燃烧速度则不可能，因此需要综合考量双基系推进剂制备工艺、包覆层制备工艺、燃烧压强设计等。也就是说，一方面通过对双基系推进剂装药结构、两端及外圆包覆层厚度、内外孔直径、药柱长度及长径比等进行合理优化设计，保证力学性能好且在旋转及点火条件下不会发生装药结构完整性破坏。
在上述方案基础上的测试装置中，如图1所示，燃烧室壳体3内除了安装或浇筑有双基系推进剂装药1，在圆柱形药柱轴向两端中一端安装有点火药盒8和点火支架7组成点火装置，另一端安装有挡药板9、喷候6和喷管座5；所述喷管座5位于燃烧腔的一敞口端，燃烧室另一敞口端安装有压盖2，各部件可采用粘结、螺纹、密封件等方式或辅助部件组装，组装好后使得双基系推进剂装药旋转过程中在燃烧室内不发生移动；其中的压盖、燃烧室壳体、喷管座、喷喉、点火支架、点火药盒和挡药板是火箭发动机中相关部件的缩小仿真部件，上述各部件的结构与火箭发动机中的相关部件结构相同；与火箭发动机结构不同之处除了尺寸缩小外，在压盖边缘设有与旋转台安装的结构，例如螺栓孔，并且在压盖上设有传感器安装孔10；在燃烧室壳体上设有至少一个泄压孔，各泄压孔内安装有泄压装置4，当燃烧室压强高于设计压强时，泄压装置4开始泄压以保证旋转燃烧试验的安全性；点火药盒上的点火线依次经装药上的通孔、挡药板9、喷候6和喷管座5穿出燃烧室壳体。
旋转燃烧试验时，将燃烧室壳体通过压盖安装于旋转台上，旋转台旋转时产生的加速度矢量垂直于通孔内表面施加，经点火线点火，随着装药通孔内燃烧面的推移，旋转产生的加速度越来越大，双基系推进剂的燃烧速度为连续加速度条件下的瞬时燃烧速度。
具体测试时，设置旋转试验系统的旋转速度，采集燃烧室压强-时间的一一对应的离散点数据。通过采用零维内弹道性能控制方程，反演获得双基系推进剂燃烧速度—时间曲线，用于表征连续加速度条件下瞬时燃烧速度的变化情况，可以方便的获取双基系推进剂的加速度敏感性阈值。
具体方案中，根据发动机设计理论估算点火药盒8中的装药量，由于旋转条件下点火能量会分散，试验过程中出现了静态条件下可以点燃，旋转条件下点不着，通过多次试验，把点火药量增加30％以上可以点着。
有些方案中，所述泄压装置包括泄压膜片，该泄压膜片固定安装于泄压孔中，泄压膜片的一面朝燃烧腔内，另一面朝外，且泄压膜片朝向燃烧室内的一面涂有第三阻燃材料，该第三阻燃材料可选用与第一阻燃材料相同的材料。更进一步优选的结构是，参见图3-5所示，所述泄压装置包括基座41、泄压膜片42和固定盖43，基座内设第一泄压通孔411，固定盖内设第二泄压通孔431，其中基座安装于燃烧室壳体上的泄压孔中，泄压膜片42通过固定盖43安装于第一泄压通孔中，且泄压膜片的底面朝向燃烧室内，另一面朝向或位于第二泄压通孔内，泄压膜片朝向燃烧室内的面涂有第三阻燃材料421，如三元乙丙，其中固定盖将泄压膜片将其压入基座中，并压紧泄压膜片，泄压膜片的承压能力需承受测试时燃烧室内工作压强，如20MPa。
测试示例：
该示例是采用本发明的装置及方法对装填双基系推进剂的燃烧速度进行测试，圆柱形药柱外径65mm、药柱内孔直径10mm、药柱长度50mm，外圆采用三元乙丙材料包覆，包覆厚度为2.3mm，前端面采用硝基油漆布包覆，包覆厚度为2mm，装药采用内孔和后端面燃烧方式；
设定旋转试验系统的转速为3000rpm，启动电机转动，当旋转试验台转速稳定且满足要求后，点燃双基系推进剂装药，过程中采集燃烧室内压强-时间数据，采集频率一般为1000点/秒，具体方案中可按双基系推进剂装药燃烧时间等具体情况改变采集频率；根据旋转条件下双基系推进剂装药受到的离心加速度公式可知，3000rpm条件下本实施例的双基系推进剂装药受到的垂直于内孔表面的加速度为49g～321g。
对采集的压强-时间曲线的离散点数据，采用零维内弹道性能控制方程式对离散点数据进行反演获得双基系推进剂燃烧速度与时间曲线，结果如表1所示，获得49g～321g条件下该双基系推进剂的瞬时燃烧速度。
表1
| 旋转速度(rpm) | 过载值(g) | 燃烧速度(mm/s) | 燃速比(100％) |
| 0 | 0 | 4.57 | 0 |
| 3000 | 49 | 5.18 | 1.134 |
| 3000 | 100 | 5.58 | 1.220 |
| 3000 | 150 | 5.86 | 1.283 |
| 3000 | 200 | 6.16 | 1.348 |
| 3000 | 250 | 6.27 | 1.373 |
| 3000 | 321 | 6.40 | 1.401 |
以上所述的描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步解释说明，所应理解的是，以上所述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 (12)
1.一种旋转燃烧试验用双基系推进剂装药，其特征在于，包括圆柱形药柱，该圆柱形药柱内沿轴向开设有通孔；
所述圆柱形药柱侧壁包覆有第一阻燃材料，圆柱形药柱的一轴向端面包覆有第二阻燃材料。
2.一种旋转燃烧试验用双基系推进剂装药，其特征在于，包括燃烧室壳体，该燃烧室壳体内设燃烧腔，且燃烧腔轴向两端敞口；
所述燃烧腔内沿轴向浇铸或安装有圆柱形药柱，该圆柱形药柱内沿轴向开设有通孔，且圆柱形药柱与燃烧腔共轴，同时圆柱形药柱的轴向尺寸小于燃烧腔的轴向尺寸，燃烧腔内圆柱形药柱的轴向两端留有空腔；
所述圆柱形药柱侧壁与燃烧壳体内壁之间设有第一阻燃材料，所述圆柱形药柱的一端的环形面包覆有第二阻燃材料；或者，
所述圆柱形药柱侧壁与燃烧室壳体内壁之间粘结，所述圆柱形药柱的一端的环形面包覆有第二阻燃材料。
3.如权利要求1或2所述的旋转燃烧试验用双基系推进剂装药，其特征在于，所述第一阻燃材料选自三元乙丙材料、硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂。
4.如权利要求1或2所述的旋转燃烧试验用双基系推进剂装药，其特征在于，所述第二阻燃材料选自硝基油漆布、硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂或三元乙丙。
5.一种双基系推进剂燃烧速度测试装置，其特征在于，包括燃烧室壳体，该燃烧室壳体内设燃烧腔，且燃烧腔轴向两端敞口；
所述燃烧腔内沿轴向装有点火装置、权利要求2所述圆柱形药柱、挡药板、喷候和喷管座，所述双基系推进剂装药的轴向与所述安装轴向共轴，并且双基系推进剂设有第二阻燃材料的端面靠近点火装置；所述喷管座位于燃烧腔的一敞口端，燃烧室另一敞口端安装有压盖；所述点火装置包括点火支架和安装于点火支架内的点火药盒，所述点火药盒连接有点火线，所述点火线经所述通孔、挡药板、喷候和喷管座穿出燃烧室壳体；
所述压盖上设有与燃烧腔内部相通的压力传感器安装孔；
所述燃烧腔侧壁设有泄压孔，泄压孔内安装有泄压装置。
6.如权利要求5所述的双基系推进剂燃烧速度测试装置，其特征在于，所述泄压孔在燃烧腔侧壁上位于双基系推进剂所在区域。
7.如权利要求5所述的双基系推进剂燃烧速度测试装置，其特征在于，所述泄压装置包括安装于泄压孔中的泄压膜片，泄压膜片朝向燃烧室内的一面涂有第三阻燃材料。
8.如权利要求5所述的双基系推进剂燃烧速度测试装置，其特征在于，所述泄压装置包括基座、泄压膜片和固定盖，所述基座内设有第一泄压通孔，所述固定该内设有第二泄压通孔，所述基座安装于泄压孔中，所述泄压膜片通过固定盖安装于第一泄压通孔中，所述泄压膜片一面朝向燃烧腔内，另一面位于第二泄压通孔中。
9.如权利要求5所述的双基系推进剂燃烧速度测试装置，其特征在于，所述点火药盒中的点火药量为理论预估点火药量的130％以上，所述理论点火药量是根据发动机设计理论计算的点火药量。
10.如权利要求5所述的双基系推进剂燃烧速度测试装置，其特征在于，所述压盖上设有与旋转台连接的安装孔。
11.如权利要求5所述的双基系推进剂燃烧速度测试装置，其特征在于，还包括旋转台，所述燃烧室壳体通过压盖安装在旋转台上，且旋转台旋转时产生的加速度矢量垂直于双基系推进剂装药的通孔内表面。
12.一种双基系推进剂燃烧速度测试方法，其特征在于，采用权利要求5所述装置对双基系推进剂燃烧速度进行测试，方法包括，点火后，双基系推进剂装药在燃烧室内为未设阻燃剂的端面和通孔内表面燃烧，并且在双基系推进剂燃烧过程中，采集燃烧室内压强与时间曲线；之后采用零维内弹道性能控制方程反演获得双基系推进剂燃烧速度与时间曲线，以表征连续加速度条件下双基系推进剂瞬时燃烧速度的变化情况。
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