测试固体燃料微推进器点火燃烧特性及推进性能的装置

摘要

本发明涉及测试点火燃烧特性及推进性能的试验装置，旨在提供测试固体燃料微推进器点火燃烧特性及推进性能的装置。该测试固体燃料微推进器点火燃烧特性及推进性能的装置包括激光器、反应器、真空泵、高速摄影仪、高速测温仪、光纤光谱仪、数据采集卡、同步触发开关和计算机，反应器包括耐压玻璃罩、微推进器固定台架、密封圈、底座、压力表、高敏压力传感器。本发明采用激光点火的方式对推进器中的推进剂进行点火，其点火能量、点火温度及升温速率与实际电阻丝点火基本一致，但成本大大降低，工艺大大简化，且工作稳定性更好，非常适合实验室测试研究工作。

说明书

技术领域

本发明是关于测试点火燃烧特性及推进性能的试验装置，特别涉及测试固体燃料微 推进器点火燃烧特性及推进性能的装置。

背景技术

由于发射成本低，稳定性、灵活性好和适用于远地、深空任务等一系列优势，航天 器的小型化已成为航天业发展趋势。随着航天器的小型化，原有推进系统难以满足小型 航天器的需求，因此，微推进器的研究具有十分迫切和重要的意义。在各种微推进器中， 以MEMS为基础的固体燃料推进器因具有结构简单、紧凑，无移动件，泄露可能性小等 优势，已成为研究的热点。MEMS基固体燃料推进器的性能研究，主要是针对推进剂在特 定结构造型的推进器中的点火燃烧特性及推进性能进行研究。

目前，实际应用于实现MEMS基固体燃料推进器点火的方式主要为电热丝点火。但由 于电热丝材料昂贵，且制造、装配及控制工艺繁杂，给实验室的相关研究工作带来了极 大的困难。因此寻找一种廉价、便捷又能够满足真实微推进器工作环境要求的点火方式 十分重要。

由于固体燃料微推进器燃烧时间短，温度、燃速、发射光谱、推力等点火燃烧特性 及推进性能指标变化快，对其在燃烧过程中的变化规律进行有效监测十分困难。特别是 其推力范围很小，一般仅为1-100毫牛，难以进行快速准确的测量。因此如何对固体燃 料微推进器的点火燃烧特性及推进性能进行测试显得尤为重要。目前，相关领域的研究 学者通常采用单摆式推力测试装置对其推力进行测量。这种测试装置的基本原理是利用 摆臂绕支点的转动，将推进器的动能转化为重力势能，根据摆臂转动的角度计算推力大 小。然而，这种测试方法受摩擦、推进器质量变化等因素干扰严重，其测量精度较差， 并且由于推进器在测试过程中是运动的，难以对其进行实时燃烧诊断。因此需要寻找新 的推进性能测试方法，来克服这些缺点和不足。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供测试固体燃料微推进器点火燃 烧特性及推进性能的装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供测试固体燃料微推进器点火燃烧特性及推进性能的装置，用于对微推进器进行 性能测试，微推进器中装载有固体推进剂，所述测试固体燃料微推进器点火燃烧特性及 推进性能的装置包括激光器、反应器、真空泵、高速摄影仪、高速测温仪、光纤光谱仪、 数据采集卡、同步触发开关和计算机；

所述反应器包括耐压玻璃罩、微推进器固定台架、密封圈、底座、压力表、高敏压 力传感器；耐压玻璃罩为钟形的玻璃罩，耐压玻璃罩的顶端开有圆孔，圆孔用于连接激 光器的出射口，且保证激光器的出射口与圆孔密封连接，所述激光器用于将微推进器中 的推进剂加热至其着火温度以上；耐压玻璃罩的下端通过密封圈与底座密封结合，底座 中设有一条气体通道，气体通道连通耐压玻璃罩内部和真空泵，所述真空泵用于抽取耐 压玻璃罩内部的空气；底座的侧面装有一只压力表，用于监测耐压玻璃罩内部的压力； 底座的上层设有微推进器固定台架，用于将微推进器固定在耐压玻璃罩内，微推进器固 定台架的正下方设置有一台高敏压力传感器，高敏压力传感器与数据采集卡连接，高敏 压力传感器能将微推进器产生的推力信号转换为电压信号并传输至数据采集卡，数据采 集卡用于将接收到的电压信号转换为数字信号并传输至计算机；

所述高速摄影仪、高速测温仪、光纤光谱仪、数据采集卡和激光器的电路开关，分 别通过信号线路与计算机连接，且计算机能利用同步触发开关，控制高速摄影仪、高速 测温仪、光纤光谱仪、数据采集卡与激光器同步启动；高速摄影仪、高速测温仪、数据 采集卡和光纤光谱仪分别设置在反应器的外侧，用于实时监测微推进器的燃烧过程，并 将测量数据传输至计算机；激光器、高速摄影仪、高速测温仪、光纤光谱仪还能通过同 步触发开关进行物理手动触发；

所述同步触发开关分别与计算机、激光器的电源，以及高速摄影仪、高速测温仪、 光纤光谱仪的外部电频触发端口关联，并能够通过手动和计算机两种方式控制开关触 发；

所述计算机中设置有集中控制模块，集中控制模块能集中显示高速摄影仪、高速测 温仪、光纤光谱仪、数据采集卡和激光器的控制，并集成对同步触发开关的控制，用于 对激光器、高速摄影仪、高速测温仪、光纤光谱仪和数据采集卡的启停进行控制，同时 实现对参数(功率、加热时间及采样频率等)设置的集中操作，并对高速摄影仪、高速测 温仪、光纤光谱仪、数据采集卡传输的数据进行保存和后续分析。

作为进一步的改进，所述高敏压力传感器采用最小量程在1μN以下、最高测量频 率在1000Hz以上的压力传感器。

作为进一步的改进，所述激光器的功率能进行调节，调节范围为10～150W。

作为进一步的改进，所述激光器出射口与耐压玻璃罩的圆孔通过密封胶带进行密封 连接。

作为进一步的改进，所述高速摄影仪、高速测温仪和光纤光谱仪的最高测量频率均 为1000Hz。

作为进一步的改进，所述集中控制模块采用WSP-D806型巡检仪和I-1075型数模转 换模块。

作为进一步的改进，所述反应器水平放置，且激光器的出射口与反应器保持垂直。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用激光点火的方式对推进器中的推进剂进行点火，其点火能量、点火 温度及升温速率与实际电阻丝点火基本一致，但成本大大降低，工艺大大简化，且工作 稳定性更好，非常适合实验室测试研究工作。

2、本发明可通过计算机控制精确调节激光器功率，并能在实验过程中实现激光器 功率的线性变化，为实验人员提供更丰富的点火方案。

3、本发明可以进行不同结构的微推进器及不同种类的推进剂的性能测试。

4、本发明中的反应器与真空泵连接，能够模拟太空实际环境，实现推进器在不同 环境压力条件下的性能测试。

5、本发明通过先进测量手段，实现了对微推进器点火燃烧过程中温度、燃烧、发 射光谱、推力、冲量及比冲等点火燃烧特性及推进性能指标的快速准确测量，测量频率 最高达1000Hz。

6、本发明采用高敏压力传感器对微推进器的推进性能进行测试，消除了传统单摆 式推力测试装置的移动摩擦、延时等测量系统误差，提高了测试精度。

7、本发明通过同步触发开关，控制测量仪器与激光器同步开启，可以测量微推进 器的点火延迟时间和燃烧时间等点火燃烧特性指标。

8、本发明可通过计算机集成控制，为试验的安全、便捷进行提供了保证。

附图说明

图1为本发明中的反应器结构图。

图2为本发明测试微推进器点火燃烧特性及推进性能的装置图。

图中的附图标记为：1耐压玻璃罩；2微推进器固定台架；3密封圈；4底座；5压 力表；6高敏压力传感器；7激光器；8密封胶带；9微推进器；10固体推进剂；11真 空泵；12数据采集卡；13高速摄影仪；14高速测温仪；15光纤光谱仪；16同步触发开 关；17计算机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

测试固体燃料微推进器点火燃烧特性及推进性能的装置包括激光器7、反应器、真 空泵11、高速摄影仪13、高速测温仪14、光纤光谱仪15、数据采集卡12、同步触发开 关16和计算机17，能利用激光器7对微推进器9中的固体推进剂10进行加热，实现不 同环境压力下推进剂点火和燃烧，通过多种仪器设备对微推进器9的点火燃烧特性和推 进性能进行观察、测量和分析。

本发明中微推进器9在反应器中点火燃烧，如图1所示，反应器包括耐压玻璃罩1、 微推进器固定台架2、密封圈3、底座4、压力表5、高敏压力传感器6，反应器水平放 置。耐压玻璃罩1为钟形，用于保证反应器的结构强度，同时便于对固体推进剂10的 点火燃烧特性进行监测。耐压玻璃罩1的顶端开有圆孔，圆孔用于连接激光器7的出射 口，且激光器7的出射口与反应器保持垂直，并保证激光器7的出射口与圆孔通过密封 胶带8密封连接。激光器7用于将微推进器9中的固体推进剂10加热至其着火温度(一 般为500-1000℃)以上，激光器7的功率能进行调节，调节范围为10～150W，激光器7 功率一般为几十瓦，点火温度与能量与实际应用中使用的电阻丝点火器相近。耐压玻璃 罩1的下端通过密封圈3与底座4密封结合，底座4中设有一条气体通道，气体通道连 通耐压玻璃罩1内部和真空泵11，所述真空泵11用于抽取耐压玻璃罩1内部的空气。 底座4的侧面装有一只压力表5，用于监测耐压玻璃罩1内部的压力。底座4的上层设 有微推进器固定台架2，用于将微推进器9固定在耐压玻璃罩1内；微推进器固定台架 2可用于不同结构的微推进器9的固定，且可根据需要更换不同的微推进器9进行固定。 微推进器固定台架2的正下方设置有一台高敏压力传感器6，高敏压力传感器6采用最 小量程在1μN以下、最高测量频率在1000Hz以上的压力传感器。高敏压力传感器6与 配套的数据采集卡12连接，高敏压力传感器6能将微推进器9产生的推力信号转换为 电压信号并传输至数据采集卡12，数据采集卡12用于将接收到的电压信号转换为数字 信号并传输至计算机17。

如图2所示，高速摄影仪13、高速测温仪14、光纤光谱仪15、数据采集卡12和激 光器7的电路开关，分别通过信号线路与计算机17连接，且计算机17能利用同步触发 开关16，控制高速摄影仪13、高速测温仪14、光纤光谱仪15、数据采集卡12与激光 器7同步启动。高速摄影仪13、高速测温仪14、数据采集卡12和光纤光谱仪15分别 设置在反应器的外侧，用于实时监测微推进器9的燃烧过程，并将测量数据传输至计算 机17，其中，高速摄影仪13、高速测温仪14和光纤光谱仪15的最高测量频率均达 1000Hz。激光器7、高速摄影仪13、高速测温仪14、光纤光谱仪15还能通过物理开关 同步触发。

同步触发开关16具体是指：同时与激光器7电源、高速摄影仪13、高速测温仪14、 光纤光谱仪15的外部电频触发端口和计算机17关联的，并能够以手动和计算机17两 种方式控制的触发开关。

计算机17中设置有集中控制模块，由WSP-D806型巡检仪和I-1075型数模转换模 块组成；集中控制模块用于对激光器7、高速摄影仪13、高速测温仪14、光纤光谱仪 15和数据采集卡12的启停进行控制，用于对功率、加热时间及采样频率等的参数设置 实现集中控制，并对高速摄影仪13、高速测温仪14、光纤光谱仪15、数据采集卡12 传输的数据进行保存和后续分析。

试验时，先将装填好固体推进剂10的微推进器9固定在微推进器固定台架2上， 并将耐压玻璃罩1安装好，保持其和激光器7和底座4间紧密连接后，开启真空泵11， 待压力表5的示数达到预先设计的工况后，通过计算机17中的程序控制开关接通电路， 激光将从激光器7的激光管出射口射出，点燃微推进器9中的固体推进剂10，固体推进 剂10点燃后，激光器7电源自动切断。同时，通过计算机17开启同步触发开关16，控 制高速摄影仪13、高速测温仪14、光纤光谱仪15与激光器7同步启动，对固体推进剂 10的整个燃烧过程进行实施监测，并将测量数据传输至计算机17。同时，通过计算机 17开启同步触发开关16，控制数据采集卡12与激光器7同步启动，对固体推进剂10 燃烧过程产生的推力进行实时监测，监测时，高敏压力传感器6将微推进器9产生的推 力信号转换为电压信号并传输至数据采集卡12，数据采集卡12将电压信号转换为数字 信号并传输至计算机17。

实验人员能利用计算机17中的集中控制模块对激光器7、高速摄影仪13、高速测 温仪14、光纤光谱仪15和数据采集卡12的启停和参数设置实现集中控制，并对观测得 到的数据进行保存和后续分析。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于 以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接 导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。