CN212159721U - 固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及点火燃烧实验技术，旨在提供一种固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置。该装置的炉室由顶盖、炉体和电动耐温门组成；炉体最内侧为竖向布置的中空石英管，以其两端被封闭后的内部空腔作为反应腔；在顶盖上设置三个测试孔，其末端分别设置光纤光谱仪、高速测温仪和高速摄像仪；在炉体的下方设置升降进样系统：在升降机顶部固定安装耐温端板，耐温端板上固定安装支撑平台，支撑平台的上表面设有用于放置样品的钨片。本实用新型能在点火燃烧中使样品达到快速升温，达到与真实发动机燃烧室高温加热环境基本一致的升温速率；可以对样品的多种点火燃烧特征参数及全过程进行同步实时测量，使测量数据更准确、更具有实际应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及点火燃烧实验技术，旨在提供一种固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置。
背景技术
固体推进剂是固体发动机的动力源和燃料，是发动机性能优劣的重要基础，在导弹和航天技术领域起到重要的作用。目前常用的是复合固体推进剂，由多种含能材料、氧化剂、粘合剂、增塑剂等组成，如端羟基聚丁二烯推进剂，以端羟基聚丁二烯为粘合剂，与固体氧化剂(高氯酸铵等)、含能金属燃料(铝粉等)等材料组成。众所周知，作为动力燃料，其点火燃烧特性是考核这种燃料性能优劣的最重要的指标和参数，无论是在固体推进剂的制备、配方的设计和研发过程中，还是在发动机上的实际点火燃烧应用中，都需要全面正确了解并掌握固体推进剂的点火燃烧过程及其特性变化。因此，如何精准测量固体推进剂的点火燃烧参数，了解点火燃烧全过程，如点火时间、点火温度、燃烧温度、燃烧形态等，是认识固体推进剂综合性能的前提，也是更好发挥固体推进剂能量特性的重要条件，国内外对此进行了较为广泛的研究。
固体推进剂组分复杂，包括氧化剂、粘合剂、含能材料、增塑剂、固化剂等，但其中氧化剂、粘合剂和含能材料是最主要的成分，占总量的90％以上，因此，这三种成分的点火燃烧特性对整个固体推进剂的能量性能影响很大。以往对这三种成分的热分解和点火燃烧特性测量大多是分别进行的，而固体推进剂在实际发动机燃烧过程中，这三种成分点火燃烧过程会相互重叠、相互影响，固体推进剂的整体点火燃烧性能是这三种成分点火燃烧特性的综合结果，因此，迫切需要开发针对固体推进剂整体的点火燃烧全过程的精准测量装置和方法。
目前对动力燃料点火燃烧参数的测量方法，主要有热天平分析、管式炉、激光点火、聚光点火、各种点火燃烧器等。但这些方法很难适应固体推进剂点火燃烧过程的测量，其原因：一是原设计方案中的测试对象基本上都是作为单一组分的燃料，如金属燃料铝、硼、镁等，化石燃料如煤炭(虽然组分复杂，但点火燃烧可以简化为气态挥发分和固态碳)、油(虽然由各种碳氢组分，但可以看成一个整体液体燃料)、天然气等，只需要测试燃料的整体点火燃烧参数即可；二是这些测量装置和方法很难同时获得点火燃烧过程的多种特征参数，往往只能得到一种或部分代表点火燃烧性能的特征参数；三是这些测量装置或方法难以模拟实际发动机内点火燃烧极快的升温过程，在实际燃料进入燃烧室的瞬间，燃料处于很高的温度环境，其升温速率极快，一般实验装置和方法很难达到这样的速度。
针对由多种不同性质可燃材料人工合成的复合固体推进剂，其点火燃烧过程十分复杂，如含能材料、氧化剂、粘合剂等点火温度、时间都不一样，燃烧过程和产物也不相同，且相互重叠相互影响，再加上发动机内高温高压环境，在燃料进入燃烧室实施点火燃烧的过程中升温极快，一般实验装置和方法难以模拟，因此，迫切需要开发一种能够精准测量复合固体推进剂点火燃烧特征参数的实验装置和方法，为固体推进剂的配方设计优化和在发动机中实现更合理、更高效的应用提供技术和理论指导。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置。
为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：
提供一种固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，包括用于固体推进剂点火燃烧的炉室；炉室由上端的顶盖、中部的炉体和下部的电动耐温门组成；其中，炉体最内侧为竖向布置的中空石英管，以其两端被封闭后的内部空腔作为反应腔；紧靠石英管外侧间隔设置若干个连接至温控仪的电加热元件，用于对反应腔加热；在电加热元件和石英管的外侧包围设置环状的耐火保温层，在耐火保温层的外侧设置不锈钢保护外壳；
在炉体的上部和下部分别设置径向的贯穿通孔作为进气孔和出气孔，用于向反应腔内引入燃烧反应气氛，并排出余气和反应烟气；在顶盖上设置三个与石英管同轴布置的贯穿通孔作为测试孔，测试孔均以耐热玻璃封闭，并在其末端分别设置光纤光谱仪、高速测温仪和高速摄像仪；
在炉体的下方设置升降进样系统：在升降机顶部固定安装耐温端板，耐温端板上固定安装支撑平台，支撑平台的上表面设有用于放置样品的钨片；当电动耐温门由其驱动机构开启后，升降机能在其驱动装置的作用下抬升，使得耐温端板封闭石英管的下端开口，此时支撑平台上的钨片处于反应腔的中部位置；
所述光纤光谱仪、高速测温仪、高速摄像仪、温控仪、电动耐温门的驱动机构、升降机的驱动装置分别通过线缆连接至同步控制器。
本实用新型中，所述电动耐温门的驱动机构和升降机的驱动装置是电机或液压活塞杆。
本实用新型中，在炉体上沿轴向间隔布置至少3个用于检测反应腔内部温度的热电偶，各热电偶分别通过线缆连接至温控仪。
本实用新型中，所述电动耐温门连接至固定在炉体上的转轴，驱动机构与转轴相连并能带动电动耐温门旋转，其旋转方向平行于石英管的轴线方向(即向下打开)。
本实用新型中，所述炉体的下端具有与电动耐温门和耐温端板相配合的形状，用于保持密封。
本实用新型中，所述电加热元件是竖向布置的硅钼电加热棒。
利用该装置可以实现固体推进剂点火燃烧过程精准测量的方法，具体包括以下步骤：
(1)使升降机处于收缩状态，将固体推进剂样品均匀摆放在支撑平台的钨片上；
(2)关闭电动耐温门，从进气孔向反应腔内导入反应燃烧气氛并由出气孔排出；置换数次后封闭进气孔和出气孔，通过温控仪和热电偶控制电加热元件的升温速度和最终加热温度；
(3)利用同步控制器，同步实现电动耐温门的开启、升降机的抬升、电加热元件的补充加温，以及光纤光谱仪、高速测温仪和高速摄像仪的测量运行，对样品的进样过程、反应腔中的控温和测量过程实施同步实时操作，记录样品中主要成分在点火燃烧时发出的特征光谱信号，从而实现固体推进剂点火燃烧过程的精准测量。
在点火燃烧过程中，根据燃烧状态调节环境气氛导入和烟气排出，保证反应腔内的清晰度避免干扰测量。
实用新型的工作原理：
固体发动机内部真实燃烧温度很高，一般在1500℃以上。固体推进剂在点火时的升温速率是极高的，一般在实验室很难模拟这样的升温速率。在本实用新型中，炉体反应腔内温度由硅钼电加热棒实现加热，温度可以达到1600℃以上。在实验测试时预先设置加热温度，升温时关闭耐温电动门；当温度达到设定值后，以电机或液压活塞杆快速打开耐温电动门。与此同时，升降机抬升以快速把放置样品的支撑平台送进反应腔内，并利用耐温端板保持较好的密封。由于样品极快速地进入高温区，进入后样品升温速率基本与实际发动机一致，保证了测量数据的真实性和可靠性。同时，利用同步控制器自动开启测量仪器进行实时跟踪测量，这样能很方便记录样品进入反应腔、在反应腔内点火燃烧、反应结束的全过程情况，以及与反应腔内温度变化的关系，能更加精确全面测试分析固体推进剂燃料的点火燃烧特性。
由支撑平台把样品送入反应腔高温区域后进行点火和燃烧，是符合固体推进剂瞬间进入发动机高温燃烧室后点火、燃烧全过程的。由于固体推进剂样品点火温度较高，在几百度-1000度不等，因此，在送入反应腔之前不会点火燃烧，必须进入一个高温环境或者由高温热源引燃它使其着火。进入高温环境或者高温热源引燃都是瞬间点火的，这个时间很短，一般在1-2秒以内。
固体推进剂中氧化剂、粘合剂和含能材料三种主要成分的热分解或点火时，会形成各自不同反应产物，这些产物会发出不同波段的特征光谱，利用炉体顶部的测试孔布置光纤光谱仪，就能获取需要的特征光谱，从而判断样品中各种不同成分是否进行了热分解或点火；通过准确区分出不同成分热分解或点火的时间，从而对它们之间的相互作用和影响做出研判；利用布置的高速摄像仪对固体推进剂整体及不同部分的热分解、点火和燃烧情况进行全程拍摄，获得在整个燃烧过程中推进剂形貌的变化特征；利用布置的高速测温仪对固体推进剂表面及周边温度进行全程测量，获得不同燃烧阶段样品的温度分布和变化规律。这三种仪器通过同步控制器，可保持推进剂热分解、点火、燃烧全过程同时进行测量，从而获得固体推进剂三种主要成分的点火燃烧特征和相互影响规律，对固体推进剂点火燃烧过程实施实时精准测量。
利用反应腔上部的进气孔，可以送入不同的气氛，实现固体推进剂在不同的气氛环境下的点火燃烧过程参数测量；反应腔下部的出气孔，一方面排出送入的多余气体，另一方面及时排出燃烧反应产生的烟气，确保反应腔内始终保持合理的气氛环境和较高的清晰度，以便减少可视化测量的误差。通过改变炉体反应腔预设的温度，就可以测量获得不同温度环境下样品的点火燃烧过程特征。
炉体的耐火保温层可由耐火浇注料和硅酸铝纤维保温材料混合而成，电动耐温门、支撑平台和耐温端板可由硅铝耐温材料制成。电动耐温门、耐温端板与炉体之间的配合可以采用凹凸面结构，保证较好的密封性和准确定位。
与现有技术相比，本实用新型专利的有益效果是：
(1)采用本实用新型专利的装置，能在点火燃烧过程中能使样品达到快速升温，可以达到与真实发动机燃烧室高温加热环境基本一致的升温速率，使测量数据更准确、更具有实际应用价值。
(2)根据固体推进剂中不同成分点火燃烧反应产物发出的不同特征光谱，采用光纤光谱仪同时测量固体推进剂中不同成分的光谱信号，获得其点火时间及燃烧强度等特征参数，对固体推进剂点火燃烧过程的精准分析具有重要指导意义。
(3)利用同步控制器，同步实现电动耐温门的开启、升降机的抬升、电加热元件的补充加温，以及光纤光谱仪、高速测温仪和高速摄像仪的测量运行；可以对样品的多种点火燃烧特征参数(如点火温度、点火时间、燃烧温度、燃烧强度、样品形貌等)及全过程进行同步实时测量，为固体推进剂点火燃烧过程的精准测量和分析提供重要依据。
(4)利用炉体反应腔内的进出孔，可以改变样品点火燃烧的环境气氛，并及时排出反应腔内的烟气，保证反应腔内的清晰度。
附图说明
图1为固体推进剂点火燃烧测量装置正视剖面图(反应腔升温，测试样品未送入)；
图2为固体推进剂点火燃烧测量装置正视剖面图(测试样品送入反应腔，点火燃烧)；
图3为图1和图2中的A-A方向的俯视图；
图4为图1和图2中的B-B方向的俯视剖面图；
图5固体推进剂样品中三种主要成分点火燃烧发出的特征光谱；
图6固体推进剂样品中三种主要成分的点火时间。
附图中的标记：炉体1、石英管2、反应腔3、电加热元件4、进气孔5、出气孔6、电机7、电动耐温门8、测试孔9、光纤光谱仪10、高速测温仪11、高速摄像仪12、升降机13、耐温端板14、支撑平台15、钨片16、样品17、热电偶18、温控仪19、同步控制器20。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型专利所述一种固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置和方法进行详细描述。
固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，包括用于固体推进剂点火燃烧的炉室；炉室由上端的顶盖、中部的炉体和下部的电动耐温门8组成；其中，炉体最内侧为竖向布置的中空石英管2，以其两端被封闭后的内部空腔作为反应腔3；紧靠石英管2外侧间隔设置若干个连接至温控仪19的电加热元件4，用于对反应腔加热；电加热元件4可选竖向布置的硅钼电加热棒。在电加热元件4和石英管2的外侧包围设置环状的耐火保温层，在耐火保温层的外侧设置不锈钢保护外壳；在炉体上沿轴向间隔布置3个用于检测反应腔3内部温度的热电偶18，各热电偶18分别通过线缆连接至温控仪19。
在炉体的上部和下部分别设置径向的贯穿通孔作为进气孔5和出气孔6，用于向反应腔3内引入燃烧反应气氛，并排出余气和反应烟气；在顶盖上设置三个与石英管同轴布置的贯穿通孔作为测试孔9，测试孔9以耐热玻璃封闭，并在其末端分别设置光纤光谱仪10、高速测温仪11和高速摄像仪12；这三种测量仪器均有市售商品可选。例如，AvaSpec-2048-USB2型光纤光谱仪、STRONG-001型高速测温仪和CMC-400c型高速摄像仪。
在炉体的下方设置升降进样系统：在升降机13顶部固定安装耐温端板14，耐温端板14上固定安装支撑平台15，支撑平台15的上表面设有用于放置样品17的钨片16；当电动耐温门8由其驱动机构开启后，升降机13能在其驱动装置的作用下抬升，使得耐温端板14封闭石英管2的下端开口，此时支撑平台15上的钨片16处于反应腔3的中部位置；光纤光谱仪10、高速测温仪11、高速摄像仪12、温控仪19、电动耐温门8的驱动机构、升降机13的驱动装置分别通过线缆连接至同步控制器20。电动耐温门8的驱动机构和升降机13的驱动装置可选电机或液压活塞杆。电动耐温门8连接至固定在炉体上的转轴，驱动机构与转轴相连并能带动电动耐温门8旋转，其旋转方向平行于石英管的轴线方向(即向下打开)。炉体的下端具有与电动耐温门8和耐温端板14表面凸起部位相配合的沉孔形状，用于保持密封。
利用该装置能够实现固体推进剂点火燃烧过程精准测量，其方法具体如下：
(1)使升降机13处于收缩状态，将固体推进剂样品17均匀摆放在支撑平台15的钨片16上；
(2)关闭电动耐温门8，从进气孔5向反应腔3内导入反应燃烧气氛并由出气孔6排出；置换数次后封闭进气孔5和出气孔6，通过热电偶18和温控仪19控制电加热元件4的升温速度和最终加热温度；在反应腔3加热升温时，耐温电动门8处于关闭状态，以确保反应腔3内的高温状态和反应气氛(如图1所示)。
(3)利用同步控制器20，同步实现电动耐温门8的开启、升降机13的抬升、电加热元件4的补充加温，以及光纤光谱仪10、高速测温仪11和高速摄像仪12的测量运行，对样品的进样过程、反应腔3中的控温和测量过程实施同步实时操作，记录样品中主要成分在点火燃烧时发出的特征光谱信号，从而实现固体推进剂点火燃烧过程的精准测量(如图2所示)。
在点火燃烧过程中，根据燃烧状态调节环境气氛导入和烟气排出，保证反应腔3内的清晰度避免干扰测量。当完成点火燃烧实验后，升降机13下降退出反应腔3，反应产物和钨片16随支撑平台15一起离开反应腔3(如图1所示)。
端羟基聚丁二烯推进剂是目前最常用的固体推进剂，其三种主要成分氧化剂、粘合剂和含能材料分别为高氯酸铵、铝粉和端羟基聚丁二烯，这三种物质在热分解或点火燃烧时，会分别发出不同波长的光谱信号。一般用波长618-622nm的自由基CaCl的光谱信号，代表高氯酸铵点火燃烧；波长486nm的AlO的光谱信号，代表铝粉点火燃烧；波长700nm的自由基C的光谱信号，代表端羟基聚丁二烯点火燃烧。图4是采用光纤光谱仪(AvaSpec-2048-USB2)测量获得的端羟基聚丁二烯推进剂点火燃烧过程中的整个发射光谱波段内的光谱信号分布，由图可见推进剂中三种主要成分的点火燃烧特征信号。可以通过这些特征光谱信号出现和消失的时间，分别确定对应物质的点火时间和燃烧时间，以及通过分析发射光谱信号的强弱来近似对三种成分的燃烧过程和燃烧强度进行分析。
根据测量结果，可以选取三种成分的特征光谱强度随时间变化的规律，如图5所示。由图5可获得三种成分的起始点火燃烧时间，如高氯酸铵的特征光谱出现时间最早，约为80ms；端羟基聚丁二烯的特征光谱随后出现，约为85ms；铝粉的特征光谱最后出现，约为95ms。可见在端羟基聚丁二烯推进剂点火燃烧过程中，高氯酸铵和端羟基聚丁二烯先后进行热分解点火，然后才是铝粉开始点火燃烧。
尽管已经展示描述了本实用新型专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型专利的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本实用新型专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，包括用于固体推进剂点火燃烧的炉室；其特征在于，炉室由上端的顶盖、中部的炉体和下部的电动耐温门组成；其中，炉体最内侧为竖向布置的中空石英管，以其两端被封闭后的内部空腔作为反应腔；紧靠石英管外侧间隔设置若干个连接至温控仪的电加热元件，用于对反应腔加热；在电加热元件和石英管的外侧包围设置环状的耐火保温层，在耐火保温层的外侧设置不锈钢保护外壳；
在炉体的上部和下部分别设置径向的贯穿通孔作为进气孔和出气孔，用于向反应腔内引入燃烧反应气氛，并排出余气和反应烟气；在顶盖上设置三个与石英管同轴布置的贯穿通孔作为测试孔，测试孔均以耐热玻璃封闭，并在其末端分别设置光纤光谱仪、高速测温仪和高速摄像仪；
在炉体的下方设置升降进样系统：在升降机顶部固定安装耐温端板，耐温端板上固定安装支撑平台，支撑平台的上表面设有用于放置样品的钨片；当电动耐温门由其驱动机构开启后，升降机能在其驱动装置的作用下抬升，使得耐温端板封闭石英管的下端开口，此时支撑平台上的钨片处于反应腔的中部位置；
所述光纤光谱仪、高速测温仪、高速摄像仪、温控仪、电动耐温门的驱动机构、升降机的驱动装置分别通过线缆连接至同步控制器。
2.根据权利要求1所述的固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，其特征在于，所述电动耐温门的驱动机构和升降机的驱动装置是电机或液压活塞杆。
3.根据权利要求1所述的固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，其特征在于，在炉体上沿轴向间隔布置至少3个用于检测反应腔内部温度的热电偶，各热电偶分别通过线缆连接至温控仪。
4.根据权利要求1所述的固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，其特征在于，所述电动耐温门连接至固定在炉体上的转轴，驱动机构与转轴相连并能带动电动耐温门旋转，其旋转方向平行于石英管的轴线方向。
5.根据权利要求1所述的固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，其特征在于，所述炉体的下端具有与电动耐温门和耐温端板相配合的形状，用于保持密封。
6.根据权利要求1所述的固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置，其特征在于，所述电加热元件是竖向布置的硅钼电加热棒。
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| CN111398515A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-07-10 | 浙江大学 | 一种固体推进剂点火燃烧过程精准测量装置和方法 |
| CN114295771A (zh) * | 2021-12-21 | 2022-04-08 | 泰山石膏（宣城）有限公司 | 一种石膏板耐火性能检测装置 |
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2020
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