本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，具體地，涉及一種壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著航空宇航科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多含金屬顆粒高能固體推進(jìn)劑被應(yīng)用到新型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，該類固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雖然大幅提升了裝藥量和性能，但較高金屬顆粒含量及復(fù)雜燃燒環(huán)境對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性造成不利影響，很容易在工作過(guò)程出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，嚴(yán)重影響固體發(fā)動(dòng)機(jī)效能及型號(hào)研制進(jìn)度。不穩(wěn)定燃燒通常表現(xiàn)為壓強(qiáng)漂移、脈沖觸發(fā)、壓強(qiáng)周期或近似周期性振蕩。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高能固體推進(jìn)劑，其在不同工作壓強(qiáng)條件下的燃燒特性又表現(xiàn)出顯著差異，如火焰高度、火焰形狀、燃面退移速率、釋熱率等，上述特性參數(shù)又反過(guò)來(lái)進(jìn)一步影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性。當(dāng)前，固體推進(jìn)劑燃燒實(shí)驗(yàn)主要在特定工作壓強(qiáng)下開(kāi)展，單次實(shí)驗(yàn)僅能獲取一個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)燃燒特性數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多壓強(qiáng)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試效率低。此外，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置尚存在內(nèi)部壓強(qiáng)隨固體推進(jìn)劑燃燒釋放氣體增壓，無(wú)法精準(zhǔn)、高效動(dòng)態(tài)調(diào)整釋放超壓氣體的問(wèn)題，誘發(fā)內(nèi)部環(huán)境壓強(qiáng)與預(yù)設(shè)目標(biāo)壓強(qiáng)出現(xiàn)差異，導(dǎo)致測(cè)試獲取的固體推進(jìn)劑燃燒特性數(shù)據(jù)與預(yù)期不匹配。由于上述不匹配，使得部分固體推進(jìn)劑雖然開(kāi)展了特定工作壓強(qiáng)下燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)估，但在部分多級(jí)變壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中仍然出現(xiàn)不同程度的不穩(wěn)定燃燒問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用的一致性存在差異。基于固體推進(jìn)劑變壓實(shí)驗(yàn)中存在的環(huán)境壓強(qiáng)精確控制技術(shù)問(wèn)題，尚未有相關(guān)的解決方案；因此迫切需要尋求有效方案以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，解決現(xiàn)有變壓條件下固體推進(jìn)劑燃燒特性測(cè)試環(huán)境壓強(qiáng)控制精度低的技術(shù)問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置內(nèi)壓強(qiáng)的精確控制，提升了固體推進(jìn)劑燃燒特征參數(shù)測(cè)試過(guò)程的準(zhǔn)確性、安全性及可靠性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工安裝、維護(hù)成本低。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置，包括計(jì)算機(jī)終端、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、壓強(qiáng)傳感器、殼體、單向閥、試驗(yàn)臺(tái)、透明視窗、固體推進(jìn)劑、支架、電機(jī)軸、力傳感器、活塞桿、彈簧、調(diào)壓閥以及噴管；所述固體推進(jìn)劑放置于所述試驗(yàn)臺(tái)的中心，所述試驗(yàn)臺(tái)固定安裝于所述殼體內(nèi)部，所述壓強(qiáng)傳感器、所述單向閥和所述透明視窗分別固定安裝于所述殼體兩側(cè)，所述殼體的頂部中心安裝有所述噴管和所述支架，所述支架上方固定安裝有所述步進(jìn)電機(jī)，所述力傳感器安裝在所述電機(jī)軸和所述活塞桿之間；所述活塞桿與所述調(diào)壓閥通過(guò)所述彈簧連接，所述調(diào)壓閥的底部與所述噴管配合連接；所述步進(jìn)電機(jī)、所述壓強(qiáng)傳感器和所述力傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器連接，所述數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)網(wǎng)線與所述計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4、進(jìn)一步的，所述殼體為中空?qǐng)A柱體，所述殼體包括設(shè)置在左側(cè)壁面上的殼體傳感器基座，設(shè)置在所述殼體左側(cè)下部的殼體充氣接口，設(shè)置在所述殼體頂部中心的凹槽型的殼體噴管基座，設(shè)置在所述殼體右側(cè)中部的方形的殼體視窗基座以及殼體底端面；所述殼體的中心、所述試驗(yàn)臺(tái)的中心和所述固體推進(jìn)劑的中心同軸。

5、進(jìn)一步的，所述殼體傳感器基座與所述壓強(qiáng)傳感器配合連接，所述殼體充氣接口與所述單向閥配合連接；所述殼體噴管基座與所述噴管配合連接；所述殼體視窗基座與所述透明視窗配合連接，所述殼體底端面與所述試驗(yàn)臺(tái)配合連接。

6、進(jìn)一步的，所述噴管為中空?qǐng)A柱體，所述噴管包括設(shè)置在噴管底部的噴管基座，設(shè)置在所述噴管上方的圓柱形空腔以及設(shè)置在所述圓柱形空腔下方的下部空腔；所述下部空腔為拉瓦爾噴管構(gòu)型，包括噴管收斂段和噴管擴(kuò)張段，所述圓柱形空腔包括噴管延伸段；所述噴管延伸段側(cè)壁面均勻分布多個(gè)圓柱形的噴管通孔，所述噴管基座與所述殼體噴管基座配合安裝。

7、進(jìn)一步的，所述調(diào)壓閥包括調(diào)壓閥閥錐、設(shè)置在所述調(diào)壓閥閥錐頂部的調(diào)壓閥閥體、調(diào)壓閥閥桿以及設(shè)置在所述調(diào)壓閥閥桿頂部的調(diào)壓閥限位帽，所述調(diào)壓閥閥錐的錐面與所述噴管收斂段傾角相同，所述調(diào)壓閥閥錐的中心與所述噴管收斂段中心同軸。

8、進(jìn)一步的，所述活塞桿為圓柱體包括設(shè)置在所述活塞桿下部的t型活塞桿安裝槽，設(shè)置在所述活塞桿底部的活塞桿通孔，活塞桿限位孔以及設(shè)置在所述活塞桿頂部的活塞桿螺紋孔；所述活塞桿安裝槽和所述活塞桿通孔配合將所述調(diào)壓閥閥桿裝配至所述活塞桿限位孔；所述活塞桿限位孔的內(nèi)徑與所述調(diào)壓閥限位帽尺寸一致，所述活塞桿通孔與所述調(diào)壓閥閥桿直徑一致；所述活塞桿螺紋孔與所述力傳感器配合安裝。

9、進(jìn)一步的，所述支架為中空桁架結(jié)構(gòu)，包括多只支架腿、支架上通孔以及支架下通孔，所述支架上通孔固定連接所述步進(jìn)電機(jī)，所述支架下通孔將所述支架固定裝配在所述殼體上。

10、本發(fā)明提供了一種壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

11、s1.壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置的安裝與調(diào)試準(zhǔn)備工作；

12、s2.壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗恒壓與變壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

13、進(jìn)一步的，所述s1包括以下步驟：

14、s11.設(shè)定壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部壓強(qiáng)p，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)軸向行程l，調(diào)壓閥受到殼體內(nèi)部氣體沿軸向推力f1與壓強(qiáng)p及力傳感器推力f2與行程l之間的關(guān)系滿足公式：

15、f1＝α1pa1+α2pa2cosβ???????????????????????????(1)

16、f2＝kl??????????????????????????????????(2)

17、其中：a1為調(diào)壓閥閥錐底面積，a2為調(diào)壓閥閥錐側(cè)面積，β為調(diào)壓閥閥錐錐角；k為彈簧勁度系數(shù)；α1殼體內(nèi)部壓強(qiáng)系數(shù)；α2為調(diào)壓閥調(diào)壓系數(shù)；壓強(qiáng)p由壓強(qiáng)傳感器實(shí)時(shí)獲?。?/p>

18、s12.根據(jù)壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部壓強(qiáng)數(shù)值范圍、壓強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)整區(qū)間以及上述公式(1)和(2)，選擇配套的壓強(qiáng)傳感器、力傳感器、步進(jìn)電機(jī)、彈簧以及調(diào)壓閥零部件；

19、s13.將步進(jìn)電機(jī)固定安裝于支架頂部，依次將力傳感器、活塞桿、彈簧、調(diào)壓閥噴管裝配于支架內(nèi)部，并將支架固定于殼體頂部，形成壓強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)；

20、s14.將步進(jìn)電機(jī)、力傳感器及壓強(qiáng)傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器連接，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)終端連接，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；

21、s15.啟動(dòng)壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置，計(jì)算機(jī)終端通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)軸向行程從零運(yùn)動(dòng)至最大值，檢查實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、各部件裝配的合理性及穩(wěn)固性；

22、s16.通過(guò)單向閥向殼體內(nèi)部充裝惰性氣體至預(yù)設(shè)壓強(qiáng)，控制步進(jìn)電機(jī)軸向行程，記錄力傳感器推力f2-t曲線，壓強(qiáng)傳感器壓強(qiáng)p-t曲線，f1由公式(1)計(jì)算，當(dāng)f1與f2之間的相對(duì)誤差時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)軸向行程l，即步進(jìn)電機(jī)、力傳感器和壓強(qiáng)傳感器三者構(gòu)成閉環(huán)控制鏈路，確保裝置內(nèi)部壓強(qiáng)與預(yù)設(shè)值精確匹配；

23、s17.基于f2—t曲線和公式(2)，計(jì)算l-t曲線；結(jié)合p-t曲線，計(jì)算p-l曲線，定量獲取壓強(qiáng)p與行程l對(duì)應(yīng)關(guān)系；

24、s18.若壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)異常、壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓強(qiáng)與預(yù)設(shè)值不匹配，則重復(fù)s11至s17的步驟，直至實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到預(yù)期要求。

25、進(jìn)一步的，所述s2包括以下步驟：

26、s21.對(duì)于恒壓實(shí)驗(yàn)：將待測(cè)固體推進(jìn)劑置于試驗(yàn)臺(tái)，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)及計(jì)算機(jī)終端，根據(jù)壓強(qiáng)p與行程l對(duì)應(yīng)關(guān)系，將步進(jìn)電機(jī)設(shè)定至指定行程，通過(guò)單向閥向殼體內(nèi)部充裝惰性氣體至預(yù)設(shè)壓強(qiáng)，再引燃固體推進(jìn)劑，固體推進(jìn)劑燃燒動(dòng)態(tài)基于透明視窗觀察，壓強(qiáng)控制基于|f1-f2|/f2≤1％方案動(dòng)態(tài)調(diào)整；期間采集殼體內(nèi)壓強(qiáng)p-t曲線及力傳感器f2-t曲線；

27、s22.對(duì)于變壓實(shí)驗(yàn)：基于步驟s21，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器向步進(jìn)電機(jī)寫入不同時(shí)段壓強(qiáng)控制代碼運(yùn)行程序，內(nèi)部壓強(qiáng)控制基于|f1-f2|/f2≤1％方案動(dòng)態(tài)調(diào)整；

28、s23.檢查并清理壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、歸檔，完成壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

29、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

30、1.本發(fā)明提供了一種壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，基于模塊化設(shè)計(jì)思維，通過(guò)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)形式、調(diào)壓閥與噴管構(gòu)型，可完成裝置0～20mpa寬壓強(qiáng)域?qū)嶒?yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境壓強(qiáng)與既定測(cè)試任務(wù)相匹配，為進(jìn)一步開(kāi)展固體推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃燒或相關(guān)變壓可視化實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；

31、2.本發(fā)明的壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，采用一套步進(jìn)電機(jī)、調(diào)壓閥等部件，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)變壓動(dòng)態(tài)調(diào)控的任務(wù)需求，有效降低系統(tǒng)復(fù)雜程度；

32、3.本發(fā)明的壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，采用壓強(qiáng)傳感器、力傳感器及步進(jìn)電機(jī)相配合的閉環(huán)控制方案，通過(guò)預(yù)設(shè)步進(jìn)電機(jī)行程與力傳感器、壓強(qiáng)量化對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置內(nèi)壓強(qiáng)的精確控制，提升了固體推進(jìn)劑燃燒特征參數(shù)測(cè)試過(guò)程的準(zhǔn)確性、安全性及可靠性；

33、4.本發(fā)明的壓強(qiáng)可控式開(kāi)窗實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工安裝、維護(hù)成本低，可根據(jù)測(cè)試任務(wù)需求定制設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)固體推進(jìn)劑變壓環(huán)境燃燒可視化方案無(wú)法中精確控制環(huán)境壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)難題。