底排推进剂瞬态泄压燃烧失稳特性测试装置

摘要

本发明公开了一种底排推进剂瞬态泄压燃烧失稳特性测试装置，该装置的主燃烧室上装有透明观察窗、点火燃烧室、测温组件、泄压组件和压力传感器；点火燃烧室用于点燃待测药条，测温组件上密封安装微热电偶；当主燃烧室内的压力达到泄压组件耐压极限时，实现瞬态泄压；压力传感器测量燃烧过程中主燃烧室内的压力变化，高速摄像仪通过光路转换器和透明观察窗拍摄待测药条的燃烧情况，热电偶测温仪测试待测药条的固相温度分布；数据采集器采集并记录压力传感器的输出数据，连同高速摄像照片和微热电偶测温数据一起传入计算机进行分析处理；本发明可以测量底排推进剂在不同的泄压初始压力和降压速率下的燃烧速率、燃烧状态和固相温度分布。

说明书

技术领域

本发明属于固体推进剂技术领域，特别是一种底排推进剂瞬态泄压燃烧失稳特性测试装置。 

背景技术

AP/HTPB复合推进剂在固体火箭发动机和大口径火炮的底部排气増程技术中得到了广泛的应用。为了精确控制火箭的弹道，提高其工作灵活性，通常需要通过反推力装置实现推力终止，采用快速降压使推进剂熄火是最具吸引力的方法之一；而底排弹所用的AP/HTPB推进剂在弹丸出炮口瞬间，将经历比火箭发动机工况更为恶劣的瞬态泄压过程，可能引起燃烧失稳，影响弹丸射击精度。 

国外早在20世纪60年代就开始对固体推进剂在降压条件下的燃烧特性进行了实验和理论研究。实验表明，存在一个使稳定燃烧的固体推进剂（包括复合型和双基型）熄火的最小降压速率；研究者们提出了几种固体推进剂快速降压熄火机理，主要目的是预测使推进剂熄火所需的临界降压速率。尚未见到国外报道过以底排弹为背景开展的AP/HTPB复合推进剂瞬态泄压燃烧特性研究，国内陆春义等人使用半密闭爆发器模拟底排弹出炮口时的瞬态泄压条件，研究了高降压速率下AP/HTPB复合底排推进剂的瞬变燃烧特性，认为在底排弹出炮口时，底排推进剂可能发生燃烧失稳，基本处于熄火/复燃的临界状态（陆春义等：含能材料，16(6)：587-591，2007）。他们所采用的半密闭爆发器没有观察窗，无法直接观察底排推进剂的燃烧过程，也没有测量推进剂温度分布，能够测试的参数十分有限。赵宏立等人设计了一种含单观察窗的半密闭爆发器，研究了一种双基发射药的瞬态燃烧特性（赵宏立等：火炸药学报，35(1)：64-68，2012）。他们采用黑火药引燃被测样品药柱的点火方式，对于双基推进剂，采用这种方式容易实现点火，但实践表明，对于复合推进剂，这种点火方式是不可靠的。此外，他们也未能测试推进剂燃烧过程中的温度变化。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅能够测试泄压过程中的压力变化，直接观察药条的燃烧情况，还可准确地测量药条的固相温度分布的底排推进剂瞬态泄压燃烧失稳特性测试装置。 

实现本发明目的的技术解决方案为： 

一种底排推进剂瞬态泄压燃烧失稳特性测试装置，包括主燃烧室、点火燃烧室、压力传感器、脉冲电源、数据采集器和计算机，还包括测温组件、泄压组件、光路转换器、高速摄像仪、热电偶测温仪；主燃烧室一端通过螺纹与测温组件连接，另一端通过螺纹与泄压组件连接；主燃烧室侧面上安装有点火燃烧室和压力传感器，主燃烧室上垂直于测压孔的侧面同轴开设两个窗口，密封安装透明观察窗；在透明观察窗前方设置光路转换器，高速摄像仪设置在光路转换器一侧，数据采集器连接压力传感器，热电偶测温仪连接测温组件，脉冲电源连接点火燃烧室；高速摄像仪、数据采集器和热电偶测温仪连接计算机。 

本发明与现有技术相比，其显著优点： 

（1）本发明的结构可以实现对待测药条的可靠点火。 

（2）本发明的结构由于采用了观察窗的设计，可以利用高速摄像仪清晰地拍摄到了瞬态泄压过程中待测药条的燃烧情况，便于观察。 

（3）本发明采用压力传感器和微热电偶的设计，不仅能够测试泄压过程中的压力变化，还可准确地测量药条的固相温度分布。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。 

图2是本发明主燃烧室的结构组成与连接关系示意图。 

图3是本发明主燃烧室及其相连各部件的结构组成与连接关系示意图。 

图4是本发明待测药条紧固结构示意图。 

图5是本发明典型的瞬态燃烧过程压力-时间变化曲线。 

图6是本发明典型的待测药条固相温度-时间变化曲线。 

具体实施方式

本发明一种底排推进剂瞬态泄压燃烧失稳特性测试装置，包括主燃烧室1、点火燃烧室2、压力传感器5、脉冲电源6、数据采集器11和计算机12，还包括测温组件3、泄压组件4、光路转换器7、高速摄像仪8、热电偶测温仪10；主燃烧室1一端通过螺纹与测温组件3连接，另一端通过螺纹与泄压组件4连接；主燃烧室1侧面上安装有点火燃烧室2和压力传感器5，主燃烧室1上垂直于测压孔的侧面同轴开设两个窗口，密封安装透明观察窗1-3；在透明观察窗1-3前方设置光路转换器7，高速摄像仪8设置在 光路转换器7一侧，数据采集器11连接压力传感器5，热电偶测温仪10连接测温组件3，脉冲电源6连接点火燃烧室2；高速摄像仪8、数据采集器11和热电偶测温仪10连接计算机12。 

点火燃烧室2包括点火燃烧室本体2-1，点火堵头密封垫圈2-2，点火堵头2-3，第一电极2-4，第二电极2-5，第三电极2-9，第四电极2-10，绝缘套筒2-6，绝缘垫片2-7，点火压螺2-8，点火药包2-11和限压膜片2-12；点火堵头2-3上嵌有点火堵头密封垫圈2-2，通过螺纹连接在点火燃烧室本体2-1上，第一电极2-4设置在点火堵头2-3内，远离点火燃烧室本体2-1的一端伸出点火堵头2-3，绝缘垫片2-7设置在第一电极2-4靠近点火燃烧室本体2-1的一端，绝缘套筒2-6和绝缘垫片2-7包裹住第一电极2-4，点火压螺2-8伸入点火堵头2-3，压住绝缘垫片2-7，第三电极2-9穿过点火压螺2-8和绝缘垫片2-7与第一电极2-4固定连接；第二电极2-5固定连接在点火堵头2-3上位于第三电极2-9的一端，第四电极2-10固定连接在点火堵头2-3上位于第一电极2-4的一端；第一电极2-4和第二电极2-5连接脉冲电源，第三电极2-9和第四电极2-10连接穿过点火药包2-11的镍铬合金丝；限压膜片2-12设置在点火燃烧室本体2-1与主燃烧室1之间。 

测温组件3包括测温堵头3-1、密封垫片3-2、金属套筒3-3、封装垫片3-4、测温压螺3-5、药条夹板3-6、微热电偶3-7、待测药条3-8、紧固螺钉3-9和定位螺钉3-10；密封垫片3-2套在测温堵头3-1上，测温堵头3-1通过螺纹连接在主燃烧室1上，药条夹板3-6固定在测温堵头3-1上，药条夹板3-6上固定有待测药条3-8，金属套筒3-3设置在测温堵头3-1内，其内腔由环氧胶填满，封装垫片3-4盖住金属套筒3-3，测温压螺3-5压住封装垫片3-4并通过螺纹旋入测温堵头3-1，测温压螺3-5的内腔填满高温胶，微热电偶3-7的探头插入待测药条3-8内，另一端依次穿过测温压螺3-5、封装垫片3-4、金属套筒3-3和测温堵头3-1，通过高温导线连接到热电偶测温仪10。 

泄压组件4包括小泄压堵头4-1、大泄压堵头4-2、剪切膜片4-3和密封垫片4-4；密封垫片4-4套在大泄压堵头4-2上，大泄压堵头4-2通过螺纹连接在主燃烧室1上，剪切膜片4-3放入大泄压堵头4-2的螺纹孔肩台上，小泄压堵头4-1旋入大泄压堵头4-2的螺纹孔，压紧小泄压堵头4-1和大泄压堵头4-2之间的剪切膜片4-3。 

主燃烧室1包括主燃烧室本体1-1、垫片1-2、透明观察窗1-3、法兰盖1-4和紧固螺栓1-5；主燃烧室本体1-1上有观察窗底座，透明观察窗1-3通过法兰盖1-4和紧固螺栓1-5固定在观察窗底座上，观察窗底座与透明观察窗1-3之间以及透明观察窗1-3与 法兰盖1-4之间设置垫片1-2。 

压力传感器5和数据采集器11之间设置电荷放大器9。 

实施例： 

一种底排推进剂瞬态泄压燃烧失稳特性测试装置，包括主燃烧室1、点火燃烧室2、压力传感器5、脉冲电源6、数据采集器11和计算机12，还包括测温组件3、泄压组件4、光路转换器7、高速摄像仪8、热电偶测温仪10；主燃烧室1一端通过螺纹与测温组件3连接，用于测试待测药条的固相温度分布，主燃烧室1另一端通过螺纹与泄压组件4连接，当主燃烧室1内的压力超出一定限制时，起泄压作用；主燃烧室1侧面上安装有点火燃烧室2和压力传感器5，主燃烧室1上垂直于测压孔的侧面同轴开设两个窗口，密封安装透明观察窗1-3；在透明观察窗1-3前方设置光路转换器7，高速摄像仪8设置在光路转换器7一侧，高速摄像仪8通过光路转换器7和透明观察窗1-3拍摄待测药条3-8在瞬态泄压以及稳态燃烧条件下的燃烧情况；数据采集器11通过电荷放大器9连接压力传感器5，压力传感器5可测量整个燃烧过程中主燃烧室内1的压力变化；热电偶测温仪10连接测温组件3；脉冲电源6连接点火燃烧室2，用于点燃待测药条3-8；高速摄像仪8、数据采集器11和热电偶测温仪10连接计算机12，数据采集器11采集并记录压力传感器5的输出数据，连同高速摄像照片和微热电偶测温数据一起传入计算机12中进行分析处理。 

点火燃烧室2包括点火燃烧室本体2-1，点火堵头密封垫圈2-2，点火堵头2-3，第一电极2-4，第二电极2-5，第三电极2-9，第四电极2-10，绝缘套筒2-6，绝缘垫片2-7，点火压螺2-8，点火药包2-11和限压膜片2-12；点火堵头2-3上嵌有点火堵头密封垫圈2-2，通过螺纹连接在点火燃烧室本体2-1上，第一电极2-4设置在点火堵头2-3内，远离点火燃烧室本体2-1的一端伸出点火堵头2-3，绝缘垫片2-7设置在第一电极2-4靠近点火燃烧室本体2-1的一端，绝缘套筒2-6和绝缘垫片2-7包裹住第一电极2-4，点火压螺2-8通过螺纹旋入点火堵头2-3，压住绝缘垫片2-7，第三电极2-9穿过点火压螺2-8和绝缘垫片2-7与第一电极2-4螺纹连接，保证第一电极2-4和第三电极2-9与点火堵头2-3绝缘；第二电极2-5通过螺纹连接在点火堵头2-3上位于第三电极2-9的一端，与点火堵头2-3导通，第四电极2-10通过螺纹连接在点火堵头2-3上位于第一电极2-4的一端，与点火堵头2-3导通；第一电极2-4和第二电极2-5连接脉冲电源，第三电极2-9和第四电极2-10连接穿过点火药包2-11的镍铬合金丝；限压膜片2-12设置在点火 燃烧室本体2-1与主燃烧室1之间；当脉冲电源6启动时，点燃点火药包2-11和附加的推进剂药粒，当点火燃烧室内2压力达到一定值时，冲破限压膜片2-12，产生持续的高温燃气射流，喷射到待测药条3-8表面实现可靠点火。 

测温组件3包括测温堵头3-1、密封垫片3-2、金属套筒3-3、封装垫片3-4、测温压螺3-5、药条夹板3-6、微热电偶3-7、待测药条3-8、紧固螺钉3-9和定位螺钉3-10；密封垫片3-2套在测温堵头3-1上，测温堵头3-1通过螺纹连接在主燃烧室1上，药条夹板3-6通过定位螺钉3-10固定在测温堵头3-1上，药条夹板3-6分为两块夹板，待测药条3-8紧贴一侧较长的夹板，紧固螺钉3-9旋入另一侧较短夹板上的螺孔，夹紧待测药条3-8；金属套筒3-3设置在测温堵头3-1内，其内腔由环氧胶填满，封装垫片3-4盖住金属套筒3-3，测温压螺3-5压住封装垫片3-4并通过螺纹旋入测温堵头3-1，测温压螺3-5的内腔填满高温胶，微热电偶3-7的探头插入待测药条3-8内，另一端依次穿过测温压螺3-5、封装垫片3-4、金属套筒3-3和测温堵头3-1，通过高温导线连接到热电偶测温仪10，具体设置方式如下：微热电偶3-7依次穿过测温堵头3-1、金属套筒3-3、封装垫片3-4和测温压螺3-5，用环氧胶填满金属套筒3-3内腔，实现固化密封，并用封装垫片3-4盖住金属套筒3-3，将测温压螺3-5通过螺纹旋入测温堵头3-1，用高温胶填满测温压螺3-5内腔，将微热电偶3-7的探头插入待测药条3-8内，通过高温导线连接到热电偶测温仪10，可以获得待测药条3-8的固相温度分布。 

泄压组件4包括小泄压堵头4-1、大泄压堵头4-2、剪切膜片4-3和密封垫片4-4；密封垫片4-4套在大泄压堵头4-2上，大泄压堵头4-2通过螺纹连接在主燃烧室1上，剪切膜片4-3放入大泄压堵头4-2的螺纹孔肩台上，小泄压堵头4-1旋入大泄压堵头4-2的螺纹孔，压紧小泄压堵头4-1和大泄压堵头4-2之间的剪切膜片4-3；当主燃烧室1内压力达到剪切膜片4-3的耐压极限时，剪切膜片4-3被高压燃气击穿，主燃烧室1内的燃气向外排出，压力迅速下降；通过调节小泄压堵头4-1的喷孔直径、剪切膜片4-3的材料与厚度以及主燃烧室1中助压药包的药量，可以获得不同的泄压初始压力和降压速率。 

主燃烧室1包括主燃烧室本体1-1、聚四氟乙烯垫片、透明观察窗1-3、法兰盖1-4和紧固螺栓1-5；主燃烧室本体1-1上有观察窗底座，透明观察窗1-3通过法兰盖1-4和紧固螺栓1-5固定在观察窗底座上，观察窗底座与透明观察窗1-3之间以及透明观察窗1-3与法兰盖1-4之间设置聚四氟乙烯垫片；具体设置方式如下：先在观察窗底座内放 置一层聚四氟乙烯垫片，再放入特种石英玻璃材质的透明观察窗1-3，防止透明观察窗1-3直接与钢质材料硬接触，并起到密封作用；在法兰盖1-4的凹槽内也放入一层聚四氟乙烯垫片，通过紧固螺栓1-5将法兰盖1-4固定在主燃烧室1上；高速摄像仪8通过光路转换器7和透明观察窗1-3拍摄待测药条3-8在瞬态泄压以及稳态燃烧条件下的燃烧情况。 

实施例具体参数： 

主燃烧室1容积约为430ml；透明观察窗1-3采用直径为65mm、厚度为20mm的特种石英玻璃；点火药包2-11为2#硝化棉和3/1火药组成的混合火药；镍铬合金丝直径为0.1mm；限压膜片2-12为厚0.1mm的紫铜膜片；微热电偶3-7采用直径为0.1mm的K型热电偶；待测药条3-8为10mm×10mm×20mm的长方体AP/HTPB推进剂药柱；小泄压堵头4-1的喷孔直径有3种，分别为4.0mm、6.0mm和8.0mm；剪切膜片4-3为厚0.06mm～0.1mm的紫铜膜片和赛璐珞膜片，可有多种组合方式；高速摄像仪8拍摄速度为1000帧／秒。 

实验前，需进行主燃烧室1的准备、建压药包的准备、测温组件3的准备、泄压组件5的准备、点火燃烧室2的准备、测试系统的准备： 

第一、主燃烧室1的准备是先将一层聚四氟乙烯垫片放入主燃烧室本体1-1的观察窗底座内，再放入擦拭干净的透明观察窗1-3；在法兰盖1-4的凹槽内放入一层聚四氟乙烯垫片，最后通过紧固螺栓1-5将法兰盖1-4固定在主燃烧室本体1-1上。 

第二、建压药包的准备是根据所需泄压初始压力的大小，称量4/7和5/7火药，并制成药包，固定在测温组件3上药条夹板3-6较长的夹板背面。 

第三、测温组件3的准备是预先将微热电偶3-7穿过金属套筒3-3和封装垫片3-4，用环氧胶填满金属套筒3-3内腔，盖上封装垫片3-4，固化后待用；将待测药条3-8通过药条夹板3-6固定在测温堵头3-1上，将封装好的微热电偶3-7装配在测温堵头3-1上，用测温压螺3-5压紧，将微热电偶3-7探头插入待测药条3-8内；将密封垫圈套在测温堵头3-1上，测温堵头3-1通过螺纹连接在主燃烧室1上，确保密封良好。 

第四、泄压组件4的准备是将密封垫圈套在大泄压堵头4-2上，将大泄压堵头4-2旋紧在主燃烧室1上，将剪切膜片4-3放入大泄压堵头4-2的螺纹孔肩台上，将小泄压堵头4-1旋入大泄压堵头4-2的螺纹孔，压紧剪切膜片4-3。 

第五、点火燃烧室2的准备是每次实验前均称量0.50g的2#硝化棉和3/1火药制成 点火药包2-11，并剪一片厚0.1mm的紫铜膜片作为限压膜片2-12，以保持点火一致性；将点火电极装配在点火堵头2-3上，将镍铬合金丝穿过点火药包2-11，连接在点火电极上，用万用表检查，确保导通；将附加的推进剂药粒放入点火燃烧室本体2-1内，将点火堵头密封垫圈2-2粘在点火堵头2-3上，旋紧在点火燃烧室本体2-1上；将限压膜片2-12粘在点火燃烧室2的喷口上，将点火燃烧室2旋紧在主燃烧室1上，确保密封良好。 

第六、测试系统的准备是将压力传感器5安装在主燃烧室1上，将电荷放大器9的地线接地，以减小信号漂移；调整好光路转换器7和高速摄像仪8，保证获得最佳的拍摄效果；确保各测试仪器可正常工作后，脉冲电源6开机充电待用。 

实验时，首先启动电荷放大器9、热电偶测温仪10和数据采集器11，在脉冲电源6即将放电前启动高速摄像仪8；脉冲电源6放电后，点火药包2-11和附加的推进剂药粒被点燃，点火燃烧室2产生高温燃气射流，主燃烧室1内的建压药包被瞬时点燃，点火射流喷射到待测药条3-8表面上数十毫秒后可将其点燃；当主燃烧室1内压力达到剪切膜片4-3的耐压极限时，剪切膜片4-3被高压燃气击穿，主燃烧室1内压力迅速下降，待测药条3-8在瞬态泄压条件下将出现持续燃烧、熄火-复燃、完全熄火等瞬态燃烧行为；若选用足够厚的剪切膜片4-3，能够承受主燃烧室1内的最大压力，则待测药条3-8将在近似稳定的压力下燃烧，根据高速摄像照片，可获得其平均稳态燃烧速率。 

例如点火燃烧室2内附加的推进剂药粒质量为1.38g；称取总重为3.50g的4/7和5/7火药，制成建压药包；采用喷孔直径为4.0mm的小泄压堵头4-1；剪切膜片4-3为0.06mm厚的紫铜膜片。一次实验测得的压力曲线和固相温度曲线分别如图5和图6所示，高速摄像仪8拍摄的燃烧过程序列照片中均以点火射流开始喷射的时刻作为时间起点。根据图5可得最大压力为p_m=5.72MPa，最大降压速率为dp/dt=-52.7MPa/s；根据图6推进剂固相温度分布可处理得到燃烧表面温度T_s=961.9K；实际可观察到点火射流喷射（t=0）、建压药包着火（t=3ms）、待测药条3-8着火（t=27ms）、待测药条3-8稳定燃烧（t=47ms）、燃气开始外喷（t=66ms）、待测药条3-8熄火（t=160ms）及复燃（t=2350ms）等现象，可断定此例实验为熄火-复燃状态。