CN202854103U

CN202854103U - 一种固体燃料退移速率测试装置

Info

Publication number: CN202854103U
Application number: CN 201220461821
Authority: CN
Inventors: 胡松启; 陈静; 王鹏飞; 刘凯
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2022-09-11

Abstract

本实用新型公开了一种固体燃料退移速率测试装置，采用长方凹槽结构的燃烧室，点火器安装在上盖前部与燃烧室连通，测压嘴固定在上盖中部与燃烧室相通，进气管连接平衡腔,进气板位于平衡腔与燃烧室之间，拉瓦尔喷管固定在燃烧室后部；卡槽位于燃烧室内底面上中间部位，药柱放置在卡槽内。测试装置工作时燃烧室压强、氧化剂流量均可调，通过改变压强、流量得到燃速与压强，氧化剂流量之间的函数关系，可有效地降低测试的复杂性。测试装置结构简单，成本低，易于加工，操作安全可靠，能够较好的测试固液火箭发动机固体燃料退移速率。测试装置对各种推进剂要求低，只要推进剂制成矩形体均可使用本实用新型测试装置进行测试。

Description

一种固体燃料退移速率测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种固体燃料退移速率测试装置，属固液混合火箭发动机与测试技术领域，用于固液混合火箭发动机燃料在不同氧化剂流量条件下退移速率测试。

背景技术

近年来，固液混合火箭发动机因其安全可靠，无毒无污染，成本低和可以多次启动以及推力可调等特点而备受研究人员的关注。固液火箭发动机中不含或仅含少量的氧化剂，固体燃料药柱与流过其表面的液态或气态氧化剂发生燃烧，发动机药柱表面的退移速率很低，这会影响发动机的燃烧效率，继而影响发动机性能，提高退移速率成为研制固液发动机的关键。固液火箭发动机药柱能量利用效率与燃烧时组元的耗量比（即氧/燃比）有关，因此预估燃料的退移速率，确定氧/燃比就显得极为重要。

中国专利201110039791.5中公开了一种固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统，包括燃烧室及配气单元，测控单元和数据采集处理单元，燃烧室及配气单元包括燃烧室、恒温槽、高压氮气瓶、缓冲氮气瓶、相关阀门管路、氮气增压泵和用以固定被测样品的多靶线药架，多靶线药架一端在燃烧室内有点火线接线柱、地线接线柱和6～10个靶线接线柱；数据采集处理单元用于测控单元各功能块的调度与控制，以及测试数据的分析处理和数据管理。该测试系统可以得出固体推进剂样品在一定压强范围内燃速，燃速压强系数，燃速温度敏感系数。

固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试系统能够很好的接近固体火箭发动机燃烧时的实际情况，得到动态燃速。但是靶线法却不能用来测试燃料的退移速率，因为燃料中不含或仅含少量氧化剂，使用靶线法测试时燃料将置于高浓度氧气的装置内，在这种情况下点燃燃料很可能会发生爆炸等不安全事故。固液发动机中氧化剂是流动的，而靶线法测燃速的氧化剂是静态的，所以靶线法不能用来测量固液发动机燃料的退移速率。

美国专利5107129中介绍了一种光纤固体/混合火箭发动机药柱退移速率测试传感器,固体燃料箱壁或者混合火箭发动机插入捆绑不同长度的光纤束，通过燃料药柱壁扩展到中心孔的边沿。药柱以正常方式燃烧，从中心延伸到外壳外围。在光纤尾部可以看到点火火焰，纤维与火焰相邻。光纤束用来判断退移速率以及点火左边药柱量。一束不同长度的纤维环向包围药柱，然后回到外壳表面，发光二极管定位在每一个纤维的尾部，同时光检测元件在另一边尾部。当光纤和光源一起使用，同时一个光接收元件在尾部，在燃烧的任何阶段，当纤维尾部被药柱点火摧毁时，来自光源的光会回到光感应器用来确立退移速率和药柱余量。

光纤固体/混合火箭发动机药柱退移速率测试传感器能够准确的测试燃料的退移速率，作为感应和传导设备需要采用特殊光纤，以及二极管，光检测元件，这都使得成本大大提高，同时光纤，二极管，光检测元件的使用也会加大系统操作的复杂性和难度，而且环境，温度等因素对光的影响也难以避免，同时燃料燃烧时的高温会使介质受热，光分解都会对测试的准确性产生不良的影响。

实用新型内容

为了避免现有技术存在的不足，克服火箭发动机燃料退移速率测量困难的问题，本实用新型提出一种固体燃料退移速率测试装置,采用长方凹槽结构的燃烧室，推进剂制成长方体进行测试；测试装置工作时燃烧室压强，氧化剂流量均可调，通过改变压强、流量得到燃速与压强，氧化剂流量之间的函数关系，可有效地降低测试的复杂性；装置结构简单，成本低，易于加工，操作安全可靠，能较好的测试固液火箭发动机固体燃料退移速率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:包括进气管、平衡腔、进气板、点火器、燃烧室、卡槽、测压嘴、拉瓦尔喷管，

所述燃烧室为长方凹槽结构，上部有长方形上盖，上盖前、后端有螺孔，点火器位于上盖前部与燃烧室内相连通，测压嘴固定安装在上盖中间部位与燃烧室相通；燃烧室前端部有螺孔，进气管固定在平衡腔前端与燃烧室前端部连接，进气板位于平衡腔与燃烧室之间；拉瓦尔喷管通过喷管套固定在燃烧室后端部；卡槽位于燃烧室内底面中间部位，药柱放置在卡槽内。

所述卡槽为两个长方体分别垂直于燃烧室内底面，两端贴紧燃烧室内两侧壁，卡槽内间距与药柱长度相同，卡槽高度为药柱高度的一半。

所述进气板为圆盘状，中心有渐扩型进气孔，依中心进气孔外延均布有多个大小相同的渐扩型进气孔。

燃烧室内壁贴有隔热层。

本实用新型固体燃料退移速率测试装置的原理:即氧化剂从储罐经进气管进入平衡腔，再从平衡腔经由进气板进入燃烧室。燃烧室内装有药柱，药柱同燃烧室一样制作成长方形，药柱为燃料不含或仅含少量氧化剂，药柱侧面和底面贴有包覆层，只有上部表面进行燃烧。矩形发动机中燃烧一定肉厚e的长方形体药柱，记录药柱从点燃到燃烧完毕所用的时间t，然后计算燃料的退移速率r。根据实验燃料的退移速率r是与氧化剂的流量G₀有关的，其中r=aG₀ ⁿ，a为常数。通过改变喷管的喉径改变氧化剂的流量，进行多次测试，得到不同氧化剂流量条件下，燃料的退移速率，根据数据得出退移速率r与氧化剂流量G₀之间的函数关系。本测试装置最大的特征是采用矩形发动机和矩形药柱（普通的是采用圆柱体发动机和圆柱药柱），因为在装药燃烧的过程中，药柱可能会发生熔融，而圆柱体在熔融后燃面会产生变形，燃烧不规则可能引起爆炸或不安全情况。长方形体药柱在发生熔融的情况下只能维持单面燃烧，燃烧面不会发生变化。

有益效果

本实用新型固体燃料退移速率测试装置，采用长方凹槽结构的燃烧室，点火器安装在上盖前部与燃烧室相连通；测压嘴固定在上盖中部与燃烧室相通；进气管连接平衡腔,进气板位于平衡腔与燃烧室之间；拉瓦尔喷管固定在燃烧室后部；卡槽位于燃烧室内底面上中间部位，药柱放置在卡槽内进行测试；测试装置工作时燃烧室压强、氧化剂流量均可调，通过改变压强、流量得到燃速与压强，氧化剂流量之间的函数关系，可有效地降低测试的复杂性。装置结构简单，成本低，易于加工，操作安全可靠，能够较好的测试固液火箭发动机固体燃料退移速率。测试装置对各种推进剂要求低，只要推进剂制成矩形体均可使用测试装置进行测试。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型一种固体燃料退移速率测试装置作进一步详细说明。

图1为本实用新型固体燃料退移速率测试装置示意图。

图2为本实用新型固体燃料退移速率测试装置的左视图。

图3为本实用新型固体燃料退移速率测试装置的进气板示意图。

图4为进气板剖视图。

图5为A-A处剖视图。

图中:

1.进气管2.平衡腔3.进气板4.点火器5.燃烧室6.卡槽7.药柱8.测压嘴9.拉瓦尔喷管

具体实施方案

本实施例是一种固体燃料退移速率测试装置。采用长方凹槽结构的燃烧室，推进剂制成长方体进行测试固液火箭发动机固体燃料退移速率。

参阅图1、图2、图3、图4、图5，本发明固体燃料退移速率测试装置，包括进气管1、平衡腔2、进气板3、点火器4、燃烧室5、卡槽6、药柱7、测压嘴8、拉瓦尔喷管9；燃烧室5为长方凹槽结构，上部有长方形上盖，上盖前后两端有螺孔,通过螺钉与燃烧室5紧固，燃烧室5内壁贴有隔热层。整体式点火器4安装在上盖前部与燃烧室5内相连通；测压嘴8固定安装在上盖中间部位，通过盖上的小孔与燃烧室5相通；燃烧室5前端部有螺孔，进气管直接通入平衡腔2内，与燃烧室5前端部螺孔连接，进气板3安装在平衡腔2与燃烧室5之间；进气板3为圆盘状，中心有渐扩型进气孔，依中心进气孔外延均布有多个大小相同的进气孔呈环状。拉瓦尔喷管9通过台阶状喷管套固定在燃烧室5后部，喷管可以拆卸，方便在测试中采用不同的喷管，同时喷管喉径也可调节。卡槽6为两个长方体垂直于燃烧室5内底面上中间部位，左右两端贴紧燃烧室5侧面，药柱7放置在卡槽6内，卡槽内间距等于药柱长度，卡槽高度为药柱高度的一半；卡槽除了固定药柱，还可使药柱发生熔融时保持形状不变。药柱为燃料不含或仅含少量氧化剂，矩形药柱侧面和底面进行包覆，只有上面进行燃烧。

本实用新型测试装置，先将所要测量的固体燃料制作成长方体药柱7，取一定肉厚的药柱固定于燃烧室5内，然后，发动机点火器4点火，发动机工作时通过测压嘴8测得一定肉厚固体燃料的燃烧压强曲线，得到药柱燃烧时间，结合药柱肉厚计算出燃料的退移速率；通过改变氧化剂流量，得到不同氧化剂流量燃料退移速率，拟合出退移速率与氧化剂流量函数关系。此外，还可通过改变燃烧室压强，得到不同压强下燃料退移速率。测试装置可测试不同组分固体燃料的退移速率，为提高固液火箭发动机药柱能量利用效率打下基础。

测试不同氧化剂流量下燃料退移速率的具体步骤如下:

（1）用矩形模具制作若干推进剂试样，并对其除上表面外其他表面进行阻燃包覆，以保证推进剂燃烧时按平行层燃烧规律进行燃烧。按照实验氧化剂流量、压强及平行性实验的要求，计算应该加工的推进剂试样的个数，以保证在每个氧化剂流量、每个压强条件下，至少取得3组有效的实验数据；

（2）取其中一块药柱，记录推进剂的肉厚为e，置入燃烧室5内，将药柱7试样固定在卡槽6中，并完成整套试验装置的装配；连接点火及测试装置检查，并确保点火器及测压嘴8工作正常；

（3）试验开始前，检查进气阀是否处于关闭状态，确保进气阀关闭，调整喷管9的喉径，使得氧化剂流量为定值；试验开始时，打开进气阀，使氧化剂通过进气管1进入平衡腔2内均匀混合，再由进气板3流入燃烧室5内至固定压强，打开测压嘴8，并使得测压嘴8处于测试状态；

（4）点火；接通点火器4进行发动机点火，并记录下装药开始燃烧的时间t1；观察装药燃烧过程，待药柱燃烧完毕记录此时的时间t2，记录测压嘴测得的压强曲线；

（5）关闭测试装置，保存实验数据，根据喷管喉径计算氧化剂流量G01；

（6）取（1）中制作的推进剂试样，改变喷管喉径来改变氧化剂流量，重复（2）~（5）过程，记录装药燃烧的时间压强曲线以及由喷管喉径计算氧化剂流量G0；

（7）根据装药肉厚e，装药燃烧时间t，计算装药的燃速r，记录各个推进剂试样的燃速r以及相应的氧化剂流量G0，根据这些数据拟合出燃速r与氧化剂流量G0的函数关系，计算出燃速系数a；

（8）完成以上过程，拆卸实验装置以备下次试验使用，退移速率测试实验完成。

Claims

1.一种固体燃料退移速率测试装置，其特征在于:包括进气管、平衡腔、进气板、点火器、燃烧室、卡槽、测压嘴、拉瓦尔喷管，

2.根据权利要求1所述的固体燃料退移速率测试装置，其特征在于:所述卡槽为两个长方体分别垂直于燃烧室内底面，两端贴紧燃烧室内两侧壁，卡槽内间距与药柱长度相同，卡槽高度为药柱高度的一半。

3.根据权利要求1所述的固体燃料退移速率测试装置，其特征在于:所述进气板为圆盘状，中心有渐扩型进气孔，依中心进气孔外延均布有多个大小相同的渐扩型进气孔。

4.根据权利要求1所述的固体燃料退移速率测试装置，其特征在于:燃烧室内壁贴有隔热层。