一种高压条件下固体推进剂快速熄火装置与方法

摘要

本发明提出一种高压条件下固体推进剂快速熄火方法与装置，包括高压燃烧器，正、负接线柱、辅助药包，测试样品，爆破片，压螺，样品支架，压力传感器及点火电源；所述点火电源通过高压燃烧器一侧的正、负接线柱连接辅助药包及测试样品；高压燃烧器上设置有排气孔，利用可调口径压螺将爆破片固定于所述排气孔上；高压燃烧器侧壁安装有压力传感器，用于测试压强；高压燃烧器内固定有大体积铜台作为样品支架，固定测试样品，辅助药包固定于测试样品上方。通过点燃辅助药包使高压燃烧器内压力升高至目标压强，进而使得推进剂样品在较为稳定的初始压力下被辅助药包引燃，同时利用压螺调节排气孔和铜台样品支架保证泄压过程中推进剂药条顺利熄火。

说明书

技术领域

本发明属于固体推进剂快速熄火领域，具体涉及一种高压条件下固体推进剂快速熄火装置与方法。

背景技术

固体推进剂火箭发动机因其固有的优点,在战略、战术武器系统中得到广泛的应用，为了进一步提高导弹武器系统的机动性和突防能力，固体发动机不但要求提高可控性,而且要求具有多次起动的能力。要实现固体发动机推力可调和多次启动就需要研究熄火发动机技术应用，且目前高性能固体发动机依赖于其高压强工作模式，即燃烧室工作压强提高，发动机比冲性能提高，这些就对固体推进剂压强指数降低、热稳定性改进和高压燃烧性能提出挑战。降压熄火过程属于不稳定燃烧过程，通过对降压过程燃烧的研究，可以对固体推进剂的燃烧机理，特别是不稳定燃烧机理有更深刻的了解。

发明专利CN201010531622.9公开了一种固体推进剂快速熄火装置，该装置主要由燃烧室、压力传感器、光电传感器、点火电源、高压开关电磁阀、高压气瓶及配套的计算机采集系统等成。通过增压泵和高压气瓶对燃烧室进行冲压，使其维持较稳定的初始压力，点火电源与高压开关电磁阀相连，推进剂点燃同时电磁阀打开快速熄火。由压力传感器及配套系统实时记录采集燃烧室压力变化曲线，光电传感器判断推进剂是否成功熄火。但该装置存在一些问题：通过增压泵提高燃烧室初始压力，范围有限不能满足今后高压(30Mpa以上的测试)；带有气瓶增压泵导致整套装置笨重，每次测量前都需要重新充气建压，操作复杂，增加测试成本。

已有降压熄火装置主要用于枪炮发射药的快速熄火，获得发射药燃烧瞬态的燃面信息，是研究发射药燃烧机理的重要手段。常见发射药快速熄火装置主要由燃烧器、承压薄膜、建压药包、排气调节器、压力传感器、点火电源等组成。其工作原理：取一定量的发射药作为建压药包，提供实验所需压强，当建压药包被点燃，使得燃烧器本体压强超过承压膜片的压力极限，膜片破裂，通过排气调节器快速泄压，同时被引燃的测试样品因压力突降熄灭。该装置的优点结构简单，测试操作方便。但是通过实验证明，将枪炮发射药的快速熄火的装置直接应用到固体推进剂快速熄火领域，当排气调节器因压力被打开时，无法实现将固体推进剂熄火。

发明内容

基于现有技术的不足之处，申请人仔细分析了将枪炮发射药的快速熄火的装置直接应用到固体推进剂快速熄火领域无法实现将固体推进剂熄火的原因是：固体推进剂向高能化发展，通常添加超细氧化剂、纳米铝粉或其他含能物质，来提高推进剂的燃速和比冲能量。受这些因素的影响，固体推进剂的熄火及获取有效冻结燃面是一大难题。基于枪炮发射药的快速熄火装置，单纯采用快速卸压，使得推进剂燃烧不稳又复燃，无法实现固体推进剂熄火。申请人采用快速降压及冷却降温组合的方式，快速卸压，使得推进剂燃烧不稳，燃烧表面传热量减小，热分解速率下降；金属铜具有良好的导热性，采用大体积铜台抑制并约束推进剂燃烧，使壁面成为“冷壁”，吸收推进剂燃烧释放的热量，当吸热强度足够高时，将影响推进剂进一步表面热分解及燃烧，从而实现熄火。

本发明提出一种高压条件下固体推进剂快速熄火装置与方法，通过点燃辅助药包使高压燃烧器内压力升高至目标压强，进而使得推进剂样品在较为稳定的初始压力下被辅助药包引燃，同时利用压螺调节排气孔和铜台样品支架保证泄压过程中推进剂药条顺利熄火。

本发明的技术方案是：一种高压条件下固体推进剂快速熄火装置，其特征在于：包括高压燃烧器，正、负接线柱、辅助药包，测试样品，爆破片，压螺，铜台样品支架，压力传感器及点火电源；所述铜台样品支架固定设置于所述高压燃烧器内，所述测试样品镶嵌于所述铜台样品支架内，并保证所述测试样品体积的1/8～1/7露出所述铜台样品支架，所述辅助药包安装于所述测试样品上，所述辅助药包和测试样品为同种固体推进剂；所述正、负接线柱穿过并固定于所述高压燃烧器侧壁上，其一端连接点火电源，另一端连接辅助药包；所述高压燃烧器上设置有排气孔，利用所述压螺将所述爆破片固定于所述排气孔上；所述高压燃烧器侧壁开有一小孔，将所述压力传感器安装于所述小孔上，用于测试压强。

本发明的进一步技术方案是：所述压螺为可更换为不同内径的法兰压点螺母，用以按需调节排气孔泄压速率，内径可调为5-20mm之间。

本发明的进一步技术方案是：所述爆破片是厚度为0.2mm的材质为304不锈钢圆片，爆破压力7MPa。

本发明的进一步技术方案是：所述高压燃烧器由不锈钢制成，内容积为150±10ml，理论计算承压120Mpa，定容燃速测试结果表明承压100Mpa内不漏气。

一种使用高压条件下固体推进剂快速熄火装置进行快速熄火的方法，其特征在于：

步骤一：根据实验所需压强和高压燃烧器测试的数据，计算确定所需压强的辅助药包的质量，计算过程如下：

a.根据公式(1)计算W_t：

p_tV_t＝(W_F+W_pt)RT_rv/M_g(1)

其中T_rv为高压燃烧器中燃气实际温度；R为通用气体常数；W_F为辅助药质量；M_g为固体推进剂燃气相对分子质量；W_pt为t时刻燃烧消耗的测试样品的质量；V_t是t时刻燃烧器的自由容积；W_t是W_F与W_pt的和；

b.依据以下过程求t时刻爆破时所对应的压强p_t：

在密闭的所述高压燃烧器中点燃足够使爆破片爆破辅助药包，通过压强传感器记录下压力-时间曲线；同时记录下的压力-时间曲线上t时刻爆破时所对应的压强p_t；

依据以下过程计算t时刻燃烧器的自由容积V_t：

采用无水乙醇标定高压燃烧器自由容积：(1)先将燃烧器装配好，不装压强传感器；(2)用干净针管将无水乙醇通过测压孔填充，液面到测压孔传感器安装位置；(3)根据无水乙醇质量及密度计算高压燃烧器初始自由容积V₀；

t时刻高压燃烧器内自由容积：V_t＝V₀-W_p0/ρ_p+W_t/ρ_p，其中ρ_p为推进剂密度，W_p0为固体推进剂初始总重；

依据以下过程计算固体推进剂燃气相对分子质量M_g：

在CEA热力计算软件中输入初始燃烧室压强P、初始温度T、推进剂配方各组分分子式、状态、百分含量和生成热，通过CEA计算出固体推进剂燃气相对分子质量Mg；

依据以下过程计算燃气实际温度T_rv：

在密闭高压燃烧器中点燃一块已知质量W_F1的辅助药包,测出燃烧结束时的最大压强p，将已知的p、V₀、W_F1、R和M_g带入公式pV₀＝W_F1RT_rv/M_g,求出燃气实际温度T_rv；

c.根据计算得到的W_t，取W_t的85％～95％作为辅助药质量W_F；

步骤二：将测试样品固定在所述铜台样品支架上，辅助药包固定于测试样品上方，同时将辅助药包与所述正、负接线柱连接；

步骤三：根据实验压强p_t，选择对应的压螺和爆破片，并完成安装；

步骤四：将压力传感器安装与高压燃烧器的侧壁小孔上，确保接触面密封；

步骤五：设置计算机采集系统的采集频率，完成计算机与高压燃烧室之间的线路连接，确保信号输出正常；

步骤六：设置点火电压，并采用万用表测量点火回路电阻，确保能够正常点火；启动点火电源，点火丝发热引燃辅助药包，密闭高压燃烧器内压力上升，当压力上升至上限值，此时测试样品被成功引燃；爆破片受压完全破裂后快速泄压，并通过铜台样品支架吸收推进剂燃烧释放的热量，实现固体推进剂熄火。

技术效果

本发明利用辅助药包可更容易为燃烧器提供任何需要的初始压力，且固体推进剂本身燃烧过程符合平行层燃烧规律，根据现有的高压燃烧器多次测试相同尺寸及质量同一推进剂建压药包所提供初始压力，重现性好，压力波动范围为千分之五，确保推进剂药条可在较为稳定的压力下点燃。同时，熄火过程中采用排气孔上安装爆破片实现快速泄压和大体积铜台降温两种方式相结合来实现固体推进剂的可靠性熄火。整套装置操作方便且结构简单，便于拆卸清理，进行多次试验。

附图说明

图1为本发明一种高压条件下固体推进剂快速熄火装置示意图。

图2为某一复合固体推进剂不同压强下成功熄火P-t曲线。

图3为某一相同质量复合推进剂辅助药P-t曲线。

附图标记说明：1.压螺；2.爆破片；3.高压燃烧器；4.正、负接线柱；5.辅助药包；6.测试样品；7.铜台样品支架；8.压强传感器。

具体实施方式

参阅图1，本发明一种高压条件下固体推进剂快速熄火装置，包括高压燃烧器3，正、负接线柱4、辅助药包5，测试样品6，爆破片2，压螺1，铜台样品支架7，压力传感器8及点火电源。

铜台样品支架7固定设置于高压燃烧器3内，测试样品6安装于铜台样品支架7上，辅助药包5安装于测试样品6上；正、负接线柱4穿过并固定于高压燃烧器3侧壁上，其一端连接点火电源，另一端连接辅助药包5；高压燃烧器3上设置有排气孔，利用压螺1将爆破片2固定于所述排气孔上；高压燃烧器3侧壁开有一小孔，将压力传感器8安装于所述小孔上，用于测试压强。

高压燃烧器3由不锈钢制成，内容积为150±10ml，理论计算承压120Mpa，定容燃速测试结果表明承压100Mpa内不漏气。

压力传感器8采用型号KISTLER-6215,量程在0-600Mpa之间。辅助药包5由测试样品6的药粉或小药柱制成，建压范围由推进剂药粉质量决定。一般规律，质量3g辅助药包5可使高压燃烧器3内压强达6MPa，5g对应10MPa，其对应关系并非线性，需多次测试。爆破片2为铝或不锈钢圆薄片，其厚度可根据国标GB567-1999中公式预估，如厚度0.2mm的材质304不锈钢圆片，爆破压力在7MPa左右。可调口径压螺1内径在5-20mm之间可调，用于固定加紧爆破片2。计算机控制系统连接点火电源，采集系统连接压力传感器8，采集实验过程中压力数据并进行数据处理。

本发明一种使用高压条件下固体推进剂快速熄火装置的方法如下：

步骤一：根据实验所需压强和高压燃烧器测试的数据，计算确定所需压强的辅助药包的质量，计算过程如下：

根据公式(1)计算W_t：

p_tV_t＝(W_F+W_pt)RT_rv/M_g(1)

其中T_rv为高压燃烧器中燃气实际温度；R为通用气体常数；W_F为辅助药质量；M_g为固体推进剂燃气相对分子质量；W_pt为t时刻燃烧消耗的测试样品的质量；V_t是t时刻燃烧器的自由容积；W_t是W_F与W_pt的和；

b.依据以下过程求t时刻爆破时所对应的压强p_t：

在密闭的所述高压燃烧器中点燃足够使爆破片爆破辅助药包，通过压强传感器记录下压力-时间曲线；同时记录下的压力-时间曲线上t时刻爆破时所对应的压强p_t；

依据以下过程计算t时刻燃烧器的自由容积V_t：

采用无水乙醇标定高压燃烧器自由容积：(1)先将燃烧器装配好，不装压强传感器；(2)用干净针管将无水乙醇通过测压孔填充，液面到测压孔传感器安装位置；(3)根据无水乙醇质量及密度计算高压燃烧器初始自由容积V₀；

t时刻高压燃烧器内自由容积：V_t＝V₀-W_p0/ρ_p+W_t/ρ_p，其中ρ_p为推进剂密度，W_p0为固体推进剂初始总重；

依据以下过程计算固体推进剂燃气相对分子质量M_g：

在CEA热力计算软件中输入初始燃烧室压强P、初始温度T、推进剂配方各组分分子式、状态、百分含量和生成热，通过CEA计算出固体推进剂燃气相对分子质量Mg；

依据以下过程计算燃气实际温度T_rv：

在密闭高压燃烧器中点燃一块已知质量W_F1的辅助药包,测出燃烧结束时的最大压强p，将已知的p、V₀、W_F1、R和M_g带入公式pV₀＝W_F1RT_rv/M_g,求出燃气实际温度T_rv；

c.根据计算得到的W_t，取W_t的85％～95％作为辅助药质量W_F；

步骤二：将测试样品固定在所述铜台样品支架上，辅助药包固定于测试样品上方，同时将辅助药包与所述正、负接线柱连接；

步骤三：根据实验压强p_t，选择对应的压螺和爆破片，并完成安装；

步骤四：将压力传感器安装与高压燃烧器的侧壁小孔上，确保接触面密封；

步骤五：设置计算机采集系统的采集频率，完成计算机与高压燃烧室之间的线路连接，确保信号输出正常；

步骤六：设置点火电压，并采用万用表测量点火回路电阻，确保能够正常点火；启动点火电源，点火丝发热引燃辅助药包，密闭高压燃烧器内压力上升，当压力上升至上限值，此时测试样品被成功引燃；爆破片受压完全破裂后快速泄压，并通过铜台吸收推进剂燃烧释放的热量，实现固体推进剂熄火；数据采集系统记录实验过程的压力-时间曲线，参照图2；

步骤七：实验结束后取出未燃的推进剂药条，并清理燃烧室；重复上述步骤，准备进行下一组实验，后期数据处理，由压力-时间曲线下降段斜率得到本次熄火实验的降压速率；通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)完成推进剂熄火燃面的观察和测定。