火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀的模拟装置

摘要

本发明公开了一种火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀的模拟装置，包括用于燃烧固体推进剂的燃气发生器，燃气发生器的一端依次同轴连接收敛段、过渡段、沉积段和喷管并形成贯通的腔体，燃气发生器的另一端密封设置，燃气发生器内部设有推进剂和用于点燃推进剂的点火药包。本发明结构简单，安装、使用方便；实验装置同过改变调节环直径与沉积槽的沉积深度，从而调节颗粒相浓度与模拟大型固体火箭发动机潜入喷管背壁凹腔内颗粒相沉积条件下绝热层的烧蚀现象。

说明书

技术领域

本发明属于火箭发动机技术领域，涉及一种火箭发动机内颗粒相沉积条 件下绝热层烧蚀的模拟装置。

背景技术

现代固体火箭发动机设计中为了提高比冲与缩短发动机整体长度，通常 在推进剂中加入金属粉末(如Al，Mg)，与广泛使用潜入喷管。然而在发动 机工作过程中，随着燃面的推移在潜入喷管背壁区域逐渐形成一个空腔，该 空腔内存在复杂的回流区，由于颗粒相具有较大的惯性，不容易追随流线， 因此在气流偏转较大的喷管背壁区域容易同气流分离而进入回流区，继而沉 积在空腔内成为熔渣；大型分段式固体火箭发动机水平试车结束时，在下表 面上有大量沉积的存在。

目前国内外对绝热层烧蚀实验研究技术主要集中在以下三个方面：(1) 氧化性气体和绝热层的化学烧蚀；(2)气流对绝热层的冲蚀；(3)颗粒相 对绝热层的机械侵蚀。然而氧化铝颗粒沉积条件下绝热层烧蚀实验技术国内 文献鲜有提及。

发明内容

本发明的目的是提供一种火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀 的模拟装置，以填补现有技术中在凹腔内沉积颗粒相的条件下，没有研究固 体火箭发动机绝热层烧蚀现象实验装置的空白。

本发明所采用的技术方案是，火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧 蚀的模拟装置，包括用于燃烧固体推进剂的燃气发生器，燃气发生器的一端 依次同轴连接收敛段、过渡段、沉积段和喷管并形成贯通的腔体，燃气发生 器的另一端密封设置，燃气发生器内部设有推进剂和用于点燃推进剂的点火 药包；

沉积段的内径小于燃气发生器的内径，收敛段为从燃气发生器到沉积段 光滑收缩的中空锥形腔体，收敛段内靠近过渡段的一端固定安装有用于调节 燃气中颗粒相浓度的调节环，沉积段的腔体内部设有通过重力作用来沉积颗 粒相的沉积槽，沉积槽内放置有绝热层试件；

燃气发生器中燃烧产生的气固混合物流经收敛段，用以调节其中颗粒相 浓度，再流经过渡段到达沉积段，其中，颗粒相沉积至沉积槽，气相通过喷 管排出。

进一步的，燃气发生器的密闭端连接有用于固定燃气发生器的前封头顶 杆。

进一步的，点火药包位于推进剂的中心位置旁。

进一步的，调节环为内壁光滑收缩的环状钢圈。

进一步的，沉积槽为设置在沉积段外壁上的开口，沉积槽开口端设置有 可拆卸的盖板用以密封沉积槽。

进一步的，盖板上设置有用于测量颗粒相沉积对绝热层试件传热量的热 电偶。

本发明的有益效果是，结构简单，安装、使用方便；实验装置通过改变 调节环直径或沉积槽的沉积深度，从而调节颗粒相浓度与模拟大型固体火箭 发动机喷管背壁凹腔内颗粒相沉积条件下绝热层的烧蚀现象。

附图说明

图1是本发明火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀的模拟装置的 结构示意图；

图2是图1的B-B剖视图。

图中，1.前封头顶杆，2.燃气发生器，3.推进剂，4.点火药包，5.收 敛段，6.调节环，7.过渡段，8.沉积段，9.沉积槽，10.喷管，11.绝热 层试件，12.热电偶，13.盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀的模拟 装置，如图1和图2，包括用于燃烧固体推进剂的燃气发生器2，燃气发生 器2的一端依次同轴连接收敛段5、过渡段7、沉积段8和喷管10并形成贯 通的腔体，燃气发生器2的另一端密封设置，燃气发生器2内部设有推进剂 3和用于点燃推进剂3的点火药包4，

沉积段8的内径小于燃气发生器2的内径，收敛段5为从燃气发生器2 到沉积段8光滑收缩的中空锥形腔体，收敛段5内靠近过渡段7的一端固定 安装有用于调节燃气中颗粒相浓度的调节环6，沉积段8的腔体内部设有通 过重力作用来沉积颗粒相的沉积槽9，沉积槽9内放置有绝热层试件11；

燃气发生器2中燃烧产生的气固混合物流经收敛段5，用以调节其中颗 粒相浓度，再流经过渡段7到达沉积段8，其中，颗粒相沉积至沉积槽9， 气相通过喷管10排出。

燃气发生器2为空心圆柱体，燃气发生器2的一端密闭并安装有前封头 顶杆1，前封头顶杆1用来固定燃气发生器2，燃气发生器2的另一端与收 敛段5的入口端连通。前封头顶杆1与推力墩相顶，使得燃气发生器2固定 于试车台架上。

燃气发生器2内设置有推进剂3和用于点燃推进剂3的点火药包4，点 火药包4位于推进剂3的中心位置旁。点火药包4连接至设置在燃气发生器 2外壁上的点火电源，通过点火药包4可以点燃推进剂3以产生燃气气流。

收敛段5的燃气入口端尺寸大于其燃气出口端尺寸，保证了沉积段8的 内径小于燃气发生器2的内径，收敛段5的燃气出口端固定安装有用于调节 燃气中颗粒相浓度的调节环6。调节环6为内壁光滑收缩的环状钢圈。调节 环的外径固定尺寸，内径尺寸设计为多种，实际工作中选择合适内径尺寸的 调节环6安装在收敛段5与过渡段7相邻的端部，用以调整可燃混合物中颗 粒相的浓度，由数值计算及试验结果可知，粒子冲刷速度和浓度增加与调节 环6直径增加并不是简单线性关系，因而根据实际模拟装置的工作状态，通 常可以设置多个内径尺寸不同的调节环6，例如直径分别为40mm，45mm， 50mm，60mm和80mm。

沉积槽9为设置在沉积段8外壁上的开口，沉积槽9开口端设置有可拆 卸的盖板13用以密封沉积槽9，可拆卸的盖板13上放置有绝热层试件11。 盖板13上设置有用于测量颗粒相沉积对绝热层试件11传热量的热电偶12。

通过在试验段开设沉积槽9，可实现颗粒相在流场中的沉积，后期通过 测厚仪与电子显微镜等手段可得到绝热层质量烧蚀率与观察到炭化层等微 观形貌，方便了对于颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀状况的研究。

本发明的工作过程为：用前封头顶杆1与推力墩相顶，使得燃气发生器 2固定于试车台架；推进剂3与点火药包4装于燃气发生器2内部远离收敛 段5的一端，注意点火药包4应悬挂于推进剂3的药面中心；点火药包4经 24V点火电源激励后将推进剂3引燃；点火后由推进剂4产生的气固两相混 合物流经收敛段5与调节环6，在收敛段5与调节环6两者的共同作用下， 可随意调节燃气混合物中颗粒相的浓度；颗粒相与燃气相经过过渡段7后， 进入沉积段8；由于沉积段8中设置有沉积槽9，于是会形成一个回流区， 由于颗粒相具有较大的惯性，不容易追随流线，因此在气流偏转较大的沉积 槽9区域颗粒相容易同气相分离进而进入回流区，在重力的作用下，使得部 分颗粒相与气相分离；根据不同的捕获准则，会有一定尺寸范围内的颗粒相 沉积于沉积槽9中所放置的绝热层试件11上，通过热电偶12测量所得颗粒 沉积对绝热层试件11的传热量，达到模拟火箭发动机真实条件下氧化铝颗 粒对绝热层试件烧蚀的目的。

试验中，燃气发生器2、收敛段5、过渡段7、沉积段8、盖板13和喷 管盖之间均采用端面密封并使用螺栓连接。

在此项实验中，关键工作参数为推进剂药柱含铝量、应力载荷、形变量 以及形变历程等。本发明的火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀的模 拟装置，最终可模拟氧化铝颗粒沉积并研究沉积条件下绝热层烧蚀问题。

实施例：

实验中将本发明的实验装置按照图1所示组装好，其中前封头顶杆1、 燃气发生器2、收敛段5、过渡段7、沉积段8、盖板13和喷管10均为45# 钢。推进剂3、调节环6直径、绝热层试件11、喷管10喉径的选择均由实 验工况决定。

前封头顶杆1为长度可调的两段式结构，并与燃气发生器2采用M16*1.5 螺纹连接；燃气发生器2为空心圆柱体，其长度为195mm，外径为220mm， 内径为200mm，其表面焊接有点火头座与压力传感器座，用于连接位于燃 气发生器2内设置的点火药包4；燃气发生器2两端的法兰盘上等距开孔20 个，孔径为Φ13；收敛段5全长217mm，收敛角度40°，壁厚为10mm， 收敛段5前端法兰等距开孔20个，后端法兰等距开孔12个，孔径均为Φ13； 过渡段7为空心圆柱体，长为100mm，壁厚为25mm其余壁面壁厚均为 10mm，前后端法兰均等距开孔12个，孔径为Φ13；沉积器8壳体全长200mm， 底部开110mm火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀的模拟装置 110mm视窗，底部壁厚25mm，其余面壁厚为10mm，前后端法兰均等距开 孔12个，孔径为Φ13；盖板13为110mm火箭发动机内颗粒相沉积条件下 绝热层烧蚀的模拟装置110mm火箭发动机内颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀 的模拟装置10mm的钢板，其顶面卡槽高10mm宽50mm可将长60mm，宽 50mm，高10mm试件插入其中，盖板13底部焊接有热电偶座，沿盖板13 的边缘线性开孔16个，孔径为Φ6.5，用于与沉积器8的壳体采用螺纹连接。 热电偶12则根据实验要求温度范围，测量精度有K型、B型热电偶可供选 择。实验装置安装完毕后，连接点火线与测温，测压传感器；一切检测无误 后，倒计时点火开启实验装置。实验结束后，待实验装置冷却至室温，并赋 予颗粒相沉积对绝热材料20min烧蚀时间后，再小心拆卸实验装置并作相关 清洗工作。

后期工作中，使用精度为0.01mm的测厚仪，测量绝热层试件11烧蚀后 的厚度，通过与前期厚度的对比可计算出绝热层质量烧蚀率；使用电镜或x 射线三维成像技术观察炭化层等微观形貌从而掌握烧蚀规律，获得烧蚀特 性。

下表为分别对三组元推进剂和三组元改推进剂进行试验所测得的数据：

  最大线性烧蚀率 烧蚀前平均厚度 烧蚀后平均厚度 三组元推进剂 0.14mm/s 9.83mm 9.12mm 三组元改推进剂 0.204mm/s 9.52mm 8.61mm