一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置与测量方法

摘要

本发明公开了一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置与测量方法，包括密封的燃烧器，燃烧器内设有用于放置待测推进剂试样称重装置，称重装置数据连接有数据采集系统，燃烧器还连接有用于控制燃烧器室内压强大小的压强控制装置和用于点燃推进剂试样的点燃装置；称重装置，用于获取推进剂试样的实时质量；数据采集系统，用于接收从称重装置发送来的实时质量信息，并根据实时质量信息，计算出推进剂试样的瞬时燃速。解决了现有技术中，无法测量压强振荡等条件下燃速的瞬时变化，并且保证较高的测量精度的问题。

说明书

技术领域

本发明属于固体火箭发动机技术领域，涉及一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置与测量方法。

背景技术

测量固体推进剂燃速的常规方法中标准发动机法、药条法和靶线法获得的燃速属于两个特定时刻内的平均燃速；密闭燃烧器法和专利ZL201410647522.0虽然可以获得测量过程中不同时刻的燃速，但只能针对于燃烧压强持续上升的情况进行测量，而且这两种方法最终给出的是不同平衡压强下对应的燃速，无法测量压强振荡等条件下燃速的瞬时变化，因此并不属于瞬时燃速测量方法；超声法可以实时测量燃速的瞬时变化，但其测试系统的抗干扰能力较差、精度较低、燃速分辨力低，为了保证较高的测量精度需要采用较大的试样厚度、导致试样用量较大，因此该方法的实验装置相对复杂、实验成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置与测量方法，以解决现有技术中，无法测量压强振荡等条件下燃速的瞬时变化，并且保证较高的测量精度的问题。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置，包括密封的燃烧器，燃烧器内设有用于放置待测推进剂试样称重装置， 称重装置数据连接有数据采集系统，燃烧器还连接有用于控制燃烧器室内压强大小的压强控制装置和用于点燃推进剂试样的点燃装置；

称重装置，用于获取推进剂试样的实时质量；

数据采集系统，用于接收从称重装置发送来的实时质量信息，并根据实时质量信息，计算出推进剂试样的瞬时燃速。

进一步的，称重装置，包括固定于燃烧器室内底部的底座，底座上设置电涡流传感器，电涡流传感器数据连接至数据采集系统，底座上还设置有用于放置推进剂试样的悬臂梁，推进剂试样悬空放置于电涡流传感器的上方，电涡流传感器，用于测量悬臂梁的变形量。

进一步的，点燃装置为设置在燃烧器外的激光器，激光器的激光发射方向推进剂试样的轴线方向重合，且燃烧器外壁开设有供激光穿过的玻璃窗口。

进一步的，玻璃窗口为锗玻璃。

进一步的，激光器为co₂激光器。

进一步的，推进剂试样的各个侧面和底部涂刷有阻燃材料层。

本发明所采用的第一种技术方案是，上述一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对称重装置和数据采集系统进行标定，并计算电涡流传感器的输出电压与被称量推进剂试样质量之间的关系式；

步骤2、将推进剂试样放置于燃烧器内部的悬臂梁上，通过压强控制装置控制燃烧器内部的压强进行变化；

步骤3、开启激光器点燃推进剂试样，同时由电涡流传感器将采集到的实时电压输送至数据采集系统，直至燃烧结束，数据采集系统根据接收到的电压数据，即可计算出推进剂试样的燃速。

进一步的，推进剂试样为等截面。

进一步的，推进剂试样燃速的具体方法为：

将电涡流传感器发送来的实时电压数据，转换为推进剂试样的质量随时间的变化m(t)；

则推进剂试样1的燃速为r：

$r\left(t\right)=\frac{1}{\rho A}\frac{dm\left(t\right)}{dt}---(1-1),$

其中，m(t)为推进剂试样的原始质量，ρ为推进剂试样的密度，A为推进剂试样的横截面积，t为时间。

本发明的有益效果是，利用了高精度称重技术，将推进剂的质量变化转换为悬臂梁的微小变形，再利用高频响、高精度的电涡流传感器对变形量进行测量，从而可以采用很少的推进剂试样即可完成测试，并能够获得推进剂的瞬时燃速，且测量精确度可达到0.1％，实现了对瞬时燃速高精度高频率的测量。

附图说明

图1是本发明一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置的结构示意图；

图2是本发明一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置实施例中的质量—时间曲线图；

图3是本发明一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置实施例中的质量对时 间的一阶导数图；

图4是本发明一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置实施例中的燃速-时间曲线图。

图中，1、推进剂试样，2.燃烧器，3.激光器，4.玻璃窗口，5.压强控制装置，6.电涡流传感器，7.悬臂梁，8.底座，9.数据采集系统。

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。

一、本发明提供了一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置与测量方法，如图1所示，包括密封的燃烧器2，燃烧器2内设有用于放置并称取待测推进剂试样1质量的称重装置，称重装置数据连接有数据采集系9，燃烧器2还连接有用于控制燃烧器2室内压强大小的压强控制装置5和用于点燃推进剂试样1的点燃装置。

其中，称重装置，包括固定于燃烧器2室内底部的底座8，底座8上设置有电涡流传感器6，底座8上设置有用于放置推进剂试样1的悬臂梁7，推进剂试样1的位置位于电涡流传感器6的上方，电涡流传感器6，用于测量悬臂梁7的变形量。

点燃装置为设置在燃烧器2外侧的激光器3，通常激光器3为co₂激光器。激光器3的激光发射方向推进剂试样1的轴线方向重合，且燃烧器2外壁位于激光穿过位置处开设有玻璃窗口4，玻璃窗口4通常为锗玻璃，因为锗玻璃对该激光的透射性好。

推进剂试样1的各个侧面和底面涂刷有很薄的一层阻燃材料保证推进剂试样1在燃烧时是等面燃烧。阻燃材料的质量很小，在推进剂燃烧过程中不发生变化。

二、本发明还提供了一种测量固体推进剂瞬时燃速的装置与测量方法的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、首先对称重装置和数据采集系统9进行标定，并计算电涡流传感器6输出电压与被称量的推进剂试样1质量之间的对应关系式，将标定结果输入到数据采集系统9，使数据采集系统9能够直接输出被称量的推进剂试样1的质量。

其中，标定的具体方法为：按照国军标规范QJ28A-98《压力传感器静态性能不确定度计算方法》中给出的标定方法对称重装置和数据采集系统9进行标定，标定后，得到的输出电压与质量之间关系式形如：Y＝kX+b,其中X是电涡流传感器6的输出电压，Y是被称量的推进剂试样1的质量，k和b是标定计算的结果。

步骤2、将推进剂试样1放置于所述燃烧器2内部的悬臂梁7上，其中，固体推进剂为等截面；由于对其余端面和侧面进行了包覆处理，所以推进剂试样1只有顶部端面会燃烧。

启动压强控制装置5，通过压强控制装置5控制所述燃烧器2内部的压强进行变化；该压强变化规律可以是任意的，完全根据使用者的测量目的去控制，本发明无论压强是如何变化，都可以精确测量推进剂的燃速变化。

步骤3、开启激光器3点燃推进剂试样1，使激光通过玻璃窗口4后点燃固体推进剂试样1，同时由所述电涡流传感器6将采集到的实时电压输送至数据采集系统9，直至燃烧结束，数据采集系统9根据接收到的全部电压数据，即可计算出所述推进剂试样1的燃速。

其中，数据采集系统9计算瞬时燃速的具体方法为：数据采集系统9将由电涡流传感器6发送的电压数据，转换为推进剂试样1的质量随时间的变化m(t)；

则推进剂试样1的燃速为r：

$r\left(t\right)=\frac{1}{\rho A}\frac{dm\left(t\right)}{dt}---(1-1),$

其中，m(t)为推进剂试样1的原始质量，ρ为推进剂试样1的密度，A为推进剂试样1的横截面积，t为时间，ρ与A均已知，其中可以利用数值计算方法中求导数的相关方法。

实施例：

本发明测量固体推进剂瞬时燃速的装置的相关结构参数和设备型号如下：

(1)燃烧器2材料选为30CrMnSi，外径150mm，内径130mm，壁厚10mm；

(2)所选电涡流传感器6的型号为株洲中航科技发展有限公司ZA-21型，量程为0～2mm；

(3)悬臂梁7采用的不锈钢材料为1Cr18Ni9Ti，长为100mm，宽为10mm，厚为1mm；

(4)数据采集系统9采用DEWESoft Sirius，采样频率为5000Hz；

(5)采用的AP/HTPB复合推进剂密度为1700kg/m³，推进剂横截面积为A＝4.47mm²，长度为L＝37.01mm；

(6)激光器3采用美国Synrad J48-5。

(7)利用压强控制装置5对燃烧器2施加了频率为1.5923Hz的正弦压强振荡。

实验数据处理过程如下：

(1)实验前对称重装置进行了标定，原始标定数据和标定计算结果如下表所示。

表1电涡流传感器标定数据

表2电涡流传感器标定结果

由标定结果可以看出，电涡流传感器的非线性、不确定度和重复性都在0.1％左右。

(2)按照GJB97A-2001“标准试验发动机技术要求和数据处理”所提出的方法，从图2的质量—时间曲线图中，读取推进剂点火起始时刻t₀；以图2所示质量-时间曲线为例，读取得到推进剂点火起始时刻t₀＝0.37s，结束时间t₁＝7.8s。

(3)对推进剂药品的质量—时间实验数据，利用数值分析中“三次样条求导法”(class.htu.cn/shuzhifenxi/chapter4/No.4.htm)计算质量对时间的一阶导数结果如图3质量对时间的一阶导数图所示；

(4)依据燃速公式(1-1)：结合质量对时间的一阶导数图可以得到动态燃速，如图4的燃速-时间曲线图所示。

现有技术都是直接测量燃面位置的变化，进而计算出瞬时燃速；测量燃面位置的方法的精度都比较低，因此瞬时燃速测量精度也比较低；由于测量方法分辨力较低，要求推进剂燃烧过程中燃面变化比较显著，容易导致试样用量较大或者时间分辨率较低。

本发明是测量推进剂试样在燃烧过程中质量的瞬时变化，利用了高精度的称重技术，即将推进剂试样的质量变化转换为悬臂梁的微小变形、再利用高频响、高精度的电涡流传感器对变形量进行测量，只需要很少的推进剂试样，就可以测量出燃烧过程中推进剂质量的瞬时变化，实现了对推进剂瞬时燃速高精度、高频率的测量。