本發(fā)明涉及一種低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置及方法，屬于固體推進(jìn)劑性能測試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)零件有燃燒室、藥柱、噴管和點(diǎn)火裝置等，由于其機(jī)動(dòng)性能好、推力大、便于長期貯存等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于火箭和導(dǎo)彈領(lǐng)域。燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成，是推進(jìn)劑安裝、燃燒和產(chǎn)生推力的部件，，。線性燃速、火焰溫度、燃速壓力指數(shù)(n)和溫度系數(shù)(δp)是推進(jìn)劑最重要的四個(gè)燃燒性能參數(shù)，也是導(dǎo)彈動(dòng)力系統(tǒng)制造設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，直接影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)、推力大小和工作時(shí)間等，線性燃速指推進(jìn)劑在單位時(shí)間內(nèi)沿燃燒表面法線方向所移動(dòng)的距離，壓力指數(shù)和燃速溫度系數(shù)分別代表壓強(qiáng)和環(huán)境初溫對(duì)推進(jìn)劑燃速的影響程度。

2、常見測試固體推進(jìn)劑燃燒性能的測試主要采用恒壓法測試藥條的退移過程，主要有：靶線法、水下聲發(fā)射法和視頻照相等。靶線法是一種傳統(tǒng)燃速測量方法，通過在推進(jìn)劑藥條上設(shè)置靶線、測量燃燒至各靶線的時(shí)間來計(jì)算出平均燃速；這種方法操作簡單，但只能得到平均燃速，無法反映燃燒的動(dòng)態(tài)變化。水下聲發(fā)射利用水包覆、導(dǎo)聲、易加壓等特性，利用藥柱有效長度除于燃燒過程中產(chǎn)生的聲波信號(hào)持續(xù)時(shí)間(即為燃燒時(shí)間)得出恒定壓強(qiáng)、溫度下的燃速，測試過程簡單、快速、安全、經(jīng)濟(jì)、精度高(水壓節(jié)約氮?dú)?，但是僅能得到平均燃速和無法獲得瞬態(tài)燃燒過程。傳統(tǒng)的視頻照相法，采集相機(jī)或高速攝影記錄在定壓密閉燃燒器中推進(jìn)劑端面退移過程，計(jì)算得到瞬時(shí)速率，但是通常推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生較多煙霧，易使得燃燒火焰光衰減嚴(yán)重，易導(dǎo)致測試不準(zhǔn)確，無法獲取燃燒溫度和溫度系數(shù)等重要參數(shù)。傳統(tǒng)測試推進(jìn)劑燃燒溫度的方法主要通過在藥柱中埋入熱電偶，測試燃燒過程的燃燒波，操作復(fù)雜、成本高?？梢姡壳暗墓腆w推進(jìn)劑測試條件不能滿足實(shí)際情況，需要更加精確、客觀貼合實(shí)際且成本較低的測試手段表征推進(jìn)劑多個(gè)燃燒性能參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)傳統(tǒng)的推進(jìn)劑燃燒測試裝置功能單一、燃速溫度系數(shù)和燃燒溫度測試復(fù)雜的難題，無法同時(shí)獲得燃速、壓力指數(shù)、溫度系數(shù)測試和火焰溫度分布等多個(gè)推進(jìn)劑燃燒性能參數(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，該裝置通過高精度高低溫試驗(yàn)箱，模擬不同環(huán)境條件，滿足固體推進(jìn)劑在特定環(huán)境溫度、特定壓強(qiáng)下的燃速和火焰溫度測試，操作簡單、成本低。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的采用的技術(shù)方案如下：

3、一種低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，包括高壓燃燒室、圓柱形樣品臺(tái)、高精度高低溫實(shí)驗(yàn)箱、燃燒室壓力控制模塊以及電點(diǎn)火模塊；

4、高壓燃燒室設(shè)置在高精度高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，高壓燃燒室內(nèi)設(shè)置圓柱形樣品臺(tái)，燃燒室壓力控制模塊和電點(diǎn)火模塊與高壓燃燒室相連。

5、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，燃燒室壓力控制模塊包括pid壓力控制器、固態(tài)繼電器、高壓氮?dú)馄俊⑷紵龤怏w緩沖瓶、進(jìn)氣管路、出氣管路和電磁閥，其中，高壓氮?dú)馄?、燃燒氣體緩沖瓶、進(jìn)氣管路與出氣管路與高壓燃燒室相連通，pid壓力控制器與固態(tài)繼電器相連，固態(tài)繼電器和電磁閥相連，電磁閥與出氣管路相連。

6、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，電點(diǎn)火模塊包括直流電源、點(diǎn)火線路和銅電極接線柱，其中，銅電極接線柱包括錐形銅柱和用于密封錐形銅柱的堵頭，堵頭與錐形銅柱之間設(shè)置有通過酚醛樹脂錐形墊片，錐形銅柱通過堵頭固定在高壓燃燒室壁面。

7、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，高壓燃燒室包括腔體，腔體前后設(shè)置有窗口蓋板，窗口蓋板上方設(shè)置有藍(lán)寶石可視化窗口，藍(lán)寶石可視化窗口上方設(shè)置有側(cè)凸臺(tái)；藍(lán)寶石可視化窗口一側(cè)設(shè)置有高速攝像機(jī)，腔體兩端開有用于安裝銅電極接線柱、壓力傳感器、進(jìn)氣管路和出氣管路的若干孔。

8、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，高壓燃燒室一端設(shè)置有燃燒室蓋板，燃燒室蓋板和高壓燃燒室通過高壓組合密封墊片實(shí)現(xiàn)密封。

9、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，圓柱形樣品臺(tái)上固定兩個(gè)電極，其中一個(gè)電極與高壓燃燒室壁面上的銅電極接線柱相連接，銅電極接線柱外端通過點(diǎn)火線路與直流電源相連接，圓柱形樣品臺(tái)上兩個(gè)電極間設(shè)置有鎳鉻絲。

10、一種低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試方法，包括以下步驟：

11、將推進(jìn)劑藥條固定在圓柱形樣品臺(tái)上，并且圓柱形樣品臺(tái)固定于高壓燃燒室底部中心位置，密封高壓燃燒室，并使高壓燃燒室內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值；

12、點(diǎn)燃推進(jìn)劑藥條，利用高速攝影機(jī)拍攝的火焰圖像，通過計(jì)算固體推進(jìn)劑燃面隨時(shí)間變化，得到固體推進(jìn)劑的燃速。

13、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，燃燒測試前，給燃燒室充入高壓氮?dú)?，?dāng)壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，pid壓力控制器泄壓至設(shè)定值；燃燒測試時(shí)，當(dāng)燃燒室壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，pid壓力控制器控制電磁閥泄壓至設(shè)定壓力，通過泄放燃燒氣體，同時(shí)維持燃燒室壓力穩(wěn)定。

14、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括：通過測試同一燃燒室壓力下多個(gè)環(huán)境溫度的燃速，獲取固體推進(jìn)劑的燃速隨溫度變化曲線，計(jì)算得到推進(jìn)劑的燃速溫度系數(shù)；通過測試同一環(huán)境溫度下多個(gè)壓力下的燃速，獲取固體推進(jìn)劑的燃速隨壓力變化曲線，計(jì)算得到推進(jìn)劑的壓力指數(shù)。

15、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，根據(jù)高速攝影機(jī)拍攝的火焰圖像，利用圖形處理算法處理火焰圖像，得到rgb三元色，進(jìn)而得到火焰溫度分布圖。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

17、本發(fā)明利用高精度高低溫實(shí)驗(yàn)箱對(duì)高壓燃燒室內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)控，滿足固體推進(jìn)劑燃速測試不同溫度需求，可實(shí)現(xiàn)在-45～80℃范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)溫。利用本發(fā)明的裝置不僅可以計(jì)算得到推進(jìn)劑的燃速，還可以利用圖形處理算法處理火焰rgb三元色，進(jìn)而得到火焰溫度分布，一次燃燒測試得到兩個(gè)燃燒性能數(shù)據(jù)，降低測試的成本。

18、進(jìn)一步的，本發(fā)明的高壓定容燃燒室結(jié)構(gòu)簡單，腔體外部是立方體外形，內(nèi)部是掏空的圓柱，外部連接進(jìn)排氣管路、氮?dú)馄亢途彌_瓶，焊接工藝簡單，便于移動(dòng)且無外界復(fù)雜的線路閥門，省時(shí)省力省原料，制造工藝成本較低。

19、進(jìn)一步的，本發(fā)明利用pid壓力控制器和電磁閥監(jiān)控燃燒室內(nèi)的壓力，維持固體推進(jìn)劑燃燒過程的壓力穩(wěn)定。

20、進(jìn)一步的，本發(fā)明利用藍(lán)寶石材質(zhì)的窗口蓋板，不僅可以通過電點(diǎn)火引燃固體推進(jìn)劑，還可以通過激光點(diǎn)火技術(shù)點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑。

21、進(jìn)一步的，本發(fā)明利用錐形凸臺(tái)實(shí)現(xiàn)到導(dǎo)線柱的密封，錐形銅柱貫穿高壓燃燒室壁面，并與燃燒室絕緣，提高了點(diǎn)火的安全性能。

22、進(jìn)一步的，本發(fā)明利用高速攝影機(jī)不僅透過燃燒室上的藍(lán)寶石透窗來記錄推進(jìn)劑藥柱退移過程進(jìn)而得到燃速，還可利用圖形處理算法處理高速攝影拍攝的火焰rgb三元色，得到火焰溫度分布圖。

技術(shù)特征：

1.一種低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，其特征在于，包括高壓燃燒室(1)、圓柱形樣品臺(tái)(2)、高精度高低溫實(shí)驗(yàn)箱(3)、燃燒室壓力控制模塊以及電點(diǎn)火模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，其特征在于，燃燒室壓力控制模塊包括pid壓力控制器(4)、固態(tài)繼電器、高壓氮?dú)馄?7)、燃燒氣體緩沖瓶(8)、進(jìn)氣管路(12)、出氣管路(13)和電磁閥，其中，高壓氮?dú)馄?7)、燃燒氣體緩沖瓶(8)、進(jìn)氣管路(12)與出氣管路(13)與高壓燃燒室(1)相連通，pid壓力控制器(4)與固態(tài)繼電器相連，固態(tài)繼電器和電磁閥相連，電磁閥與出氣管路(13)相連。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，其特征在于，電點(diǎn)火模塊包括直流電源(5)、點(diǎn)火線路和銅電極接線柱(14)，其中，銅電極接線柱(14)包括錐形銅柱(19)和用于密封錐形銅柱(19)的堵頭，堵頭與錐形銅柱(19)之間設(shè)置有通過酚醛樹脂錐形墊片，錐形銅柱(19)通過堵頭固定在高壓燃燒室(1)壁面。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，其特征在于，高壓燃燒室(1)包括腔體，腔體前后設(shè)置有窗口蓋板(11)，窗口蓋板(11)上方設(shè)置有藍(lán)寶石可視化窗口(10)，藍(lán)寶石可視化窗口(10)上方設(shè)置有側(cè)凸臺(tái)(9)；藍(lán)寶石可視化窗口(10)一側(cè)設(shè)置有高速攝像機(jī)(6)，腔體兩端開有用于安裝銅電極接線柱(14)、壓力傳感器(15)、進(jìn)氣管路(12)和出氣管路(13)的若干孔。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，其特征在于，高壓燃燒室(1)一端設(shè)置有燃燒室蓋板(16)，燃燒室蓋板(16)和高壓燃燒室(1)通過高壓組合密封墊片實(shí)現(xiàn)密封。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置，其特征在于，圓柱形樣品臺(tái)(2)上固定兩個(gè)電極(18)，其中一個(gè)電極與高壓燃燒室(1)壁面上的銅電極接線柱(14)相連接，銅電極接線柱(14)外端通過點(diǎn)火線路與直流電源(5)相連接，圓柱形樣品臺(tái)(2)上兩個(gè)電極間設(shè)置有鎳鉻絲。

7.一種基于權(quán)利要求4所述裝置的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

8.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試方法，其特征在于，燃燒測試前，給燃燒室充入高壓氮?dú)猓?dāng)壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，pid壓力控制器泄壓至設(shè)定值；燃燒測試時(shí)，當(dāng)燃燒室壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，pid壓力控制器控制電磁閥泄壓至設(shè)定壓力，通過泄放燃燒氣體維持壓力穩(wěn)定。

9.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試方法，其特征在于，還包括：通過測試同一燃燒室壓力下多個(gè)環(huán)境溫度的燃速，獲取固體推進(jìn)劑的燃速隨溫度變化曲線，計(jì)算得到推進(jìn)劑的燃速溫度系數(shù)；通過測試同一環(huán)境溫度下多個(gè)壓力下的燃速，獲取固體推進(jìn)劑的燃速隨壓力變化曲線，計(jì)算得到推進(jìn)劑的壓力指數(shù)。

10.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試方法，其特征在于，根據(jù)高速攝影機(jī)拍攝的火焰圖像，利用圖形處理算法處理火焰圖像，得到rgb三元色，進(jìn)而得到火焰溫度分布圖。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于推進(jìn)劑性能測試領(lǐng)域，公開了一種低成本固體推進(jìn)劑寬溫域范圍內(nèi)的燃燒性能參數(shù)測試裝置及方法，包括高壓燃燒室、圓柱形樣品臺(tái)、高精度高低溫實(shí)驗(yàn)箱、燃燒室壓力控制模塊以及電點(diǎn)火模塊；高壓燃燒室設(shè)置在高精度高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，高壓燃燒室內(nèi)設(shè)置圓柱形樣品臺(tái)，燃燒室壓力控制模塊和電點(diǎn)火模塊與高壓燃燒室相連。本發(fā)明通過高低溫試驗(yàn)箱控制燃燒室和推進(jìn)劑藥柱環(huán)境溫度，范圍?45℃～80℃，滿足固體推進(jìn)劑燃速測試不同環(huán)境初始溫度需求。通過拍攝推進(jìn)劑在密閉燃燒室內(nèi)不同環(huán)境溫度、不同壓力下的端面退移過程和火焰結(jié)構(gòu)圖像，計(jì)算得到推進(jìn)劑的燃速、壓力指數(shù)、溫度系數(shù)和火焰溫度分布，具有測試準(zhǔn)確、操作簡單、成本低和安全性能高的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳蘇杭,陳小遠(yuǎn),崔連鵬,唐魁,張杰,李延哲,徐抗震
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30