一种固体推进剂燃烧特性测量及方法技术

本发明专利技术涉及一种固体推进剂燃烧特性测量装置及方法，其中，该方法包括：高压燃烧室，具有封闭腔室并且其侧壁上设有彼此相对的蓝宝石视窗，高压燃烧室内安装有固体推进剂药柱和点火器；药柱应变发生装置，用于对药柱施加交变应力；高速相机，对准视窗并可由固体推进剂燃烧产生的强光触发拍摄；LAS测量系统；以及计算机，用于处理高速相机拍摄的照片和LAS测量系统的LAS信号，以实现同步对固体推进剂的燃烧温度、燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量。燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量。燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量。

【技术实现步骤摘要】
一种固体推进剂燃烧特性测量及方法


[0001]本专利技术属于固定推进剂燃烧测试
，具体涉及一种固体推进剂燃烧特性测量及方法。

技术介绍

[0002]固体推进剂燃烧是固体火箭发动机的主要动力来源。火箭发动机燃烧通常造成高压强，而火箭飞行过程中产生的机械振动也会传导到推进剂本身，因而实际工况固体推进剂燃烧通常在高压强、变应力的条件下进行。长期以来，针对固体推进剂燃烧的实验研究主要集中在对燃速的测量，而对火焰温度、主要燃烧组分浓度的测量研究则相对较少，其主要原因在于推进燃烧过程剧烈，尤其在压强和应力振荡条件下，温度及浓度变化瞬态，测量难度较大。另一方面，固体推进剂燃烧温度、燃速等信息是衡量推进剂燃烧效率和发动机推力的重要指标，结合主要组分浓度等参数还可以为固体推进剂燃烧的理论模型提供重要参考。
[0003]目前，对固体推进剂燃速的测量方法主要包括靶线法、声发射法等；对燃烧温度的测量方法一般基于热电偶测温和热辐射方法；而对主要燃烧组分浓度的测量则一般采用采样法。然而，现有测量装置和测量方法只能对上述单一物理量或最多两个物理量开展同步测量，且大部分方法都是针对燃速测量展开。另一方面，热电偶测温和热辐射测温方法无法测量高速变化的推进剂燃烧温度，采样法则无法实现对燃烧产物浓度的实时原位测量。
[0004]另一方面，基于激光吸收光谱以及高速摄像对固体推进剂燃烧特性的研究方法目前主要是在固定密闭压力容器中进行。从目前检索的技术资料中，尚未见有关在应力振荡条件下，针对燃速、温度以及主要燃烧组分(如 CO2，CO)浓度的测量工作被公开报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种固体推进剂燃烧特性测量及方法，以解决上述问题。为此，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]根据本专利技术的一方面，提供了一种固体推进剂燃烧特性测量装置，其可包括：
[0007]高压燃烧室，所述高压燃烧室具有封闭腔室并且其侧壁上设有彼此相对的蓝宝石视窗，并且所述高压燃烧室内安装有固体推进剂药柱和点火器，所述点火器用于点燃所述固体推进剂药柱；
[0008]药柱应变发生装置，所述药柱应变发生装置用于对所述固体推进剂药柱施加交变应力；
[0009]高速相机，所述高速相机安装成对准所述视窗并可由固体推进剂燃烧产生的强光触发拍摄；
[0010]LAS测量系统，所述LAS测量系统包括激光发射装置和激光采集装置，所述激光发射装置和激光采集装置分别安装在所述高压燃烧室的两端，使得所述激光发射装置发射的激光依次经过一个所述视窗、所述封闭腔室和另一个所述视窗后被所述激光采集装置接收
采集后形成LAS信号；以及
[0011]计算机，所述计算机与所述高速相机、激光发射装置和激光采集装置电连接，用于处理所述高速相机拍摄的照片和所述LAS信号，以实现同步对固体推进剂的燃烧温度、燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量。
[0012]在较佳实施例中，所述激光发射装置包括CO2激光器、CO激光器、反射镜和二向色合束镜，所述CO2激光器和所述CO激光器发射的激光通过所述反射镜和二向色合束镜形成一束激光，其中，所述CO2激光器发射中心波长为 4.17um的激光束，所述CO激光器发射中心波长为4.57um的激光束。
[0013]在较佳实施例中，所述激光采集装置包括二向色分束镜、4.17um滤光片、 4.57um滤光片、CO2中红外探测器和CO中红外探测器，所述二向色分束镜将经过火焰吸收后的激光束分成两束激光束，两束激光分别经过4.17um滤光片和4.57um滤光片被所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器接收，所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器将采集到的LAS信号数据发送至计算机。
[0014]在较佳实施例中，所述激光采集装置还包括聚光镜，所述聚光镜能够将激光束聚焦在探测器所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器的中心。
[0015]在较佳实施例中，所述固体推进剂药柱呈工字型，两边分别被药柱固定座和所述药柱应变发生装置夹持，所述药柱固定座固定于所述高压燃烧室的内壁上。
[0016]在较佳实施例中，所述高速相机和所述激光发射装置固定于一可调节式台架上并且其光路错开。
[0017]在较佳实施例中，所述点火器包括两根竖直铜柱和连接在两根所述铜柱的底部的加热丝，所述铜柱的底部正好与所述固体推进剂药柱齐平，使得所述加热丝正好抵触于所述固体推进剂药柱的上侧。
[0018]在较佳实施例中，所述激光发射装置发射的激光光路处于加热丝垂直上方，使得所述固体推进剂药柱点燃时激光光路正好穿过火焰。
[0019]在较佳实施例中，所述激光采集装置固定在另一可调节式台架上，并且高压燃烧室固定在燃烧室台架上，所述燃烧室台架与所述可调节式台架间隔开。
[0020]根据本专利技术的另一方面，提供了一种固体推进剂燃烧特性测量方法，其可包括以下步骤：
[0021]步骤一、提供如上所述的固体推进剂燃烧特性测量装置；
[0022]步骤二、调试LAS测量系统的LAS光路并且采集数据，获得吸收光谱背景信号；
[0023]步骤三、调试高速相机视场，调整高速相机的三脚架高度，使高速相机镜头高度与高压燃烧室的视窗齐平，以及调节镜头位置与镜头焦距，使高速相机视场完全包含高压燃烧室的视窗，并且焦距位于固体推进剂药柱位置；
[0024]步骤四、对高压燃烧室进行加压，对药柱施加交变应力；
[0025]步骤五、发出点火指令，点火器开始工作，利用固定推进剂燃烧产生的高光强使高速相机产生触发信号，触发信号同步LAS测量系统开始采集数据；
[0026]步骤六、将激光发射装置的激光器的驱动电流设置到出光阈值，重复步骤四和步骤五，并记录背景辐射信号；
[0027]步骤七、在除去背景辐射信号后，比对LAS系统在推进剂点火前后测量得到的LAS
信号，获得CO2以及CO的吸收光谱信息，并分析计算得到火焰温度、CO2以及CO组分浓度；同时根据高速相机拍摄的燃面照片，计算燃速。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0029]1、利用LAS方法获得火焰吸收光谱信号，利用吸收光谱中的峰面积比计算温度，吸收信号强度计算组分浓度，且可以达到10kHz的测量频率，实现了在线非接触高时间分辨测量。
[0030]2、利用高速摄像获得推进剂燃面变化过程，计算推进剂燃速，测量精度高，且可与LAS测温实现同步。
[0031]3、可提供高压和变应力工况，推进剂燃烧环境接近真实应用条件。
附图说明
[0032]图1是固体推进剂测量装置的俯视图
[0033]图2是固体推进剂测量装置的正视图
[0034]图3是点火器与激光详细示意图
[0035]附图标记列表：
[0036]1、燃烧室；2、视窗；3、视窗法兰；4、固体推进剂药柱；5、高速相机视场光路；6、高速相机；7、CO激光器；8、CO2激光器；9、激光束；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，包括：高压燃烧室，所述高压燃烧室具有封闭腔室并且其侧壁上设有彼此相对的蓝宝石视窗，并且所述高压燃烧室内安装有固体推进剂药柱和点火器，所述点火器用于点燃所述固体推进剂药柱；药柱应变发生装置，所述药柱应变发生装置用于对所述固体推进剂药柱施加交变应力；高速相机，所述高速相机安装成对准所述视窗并可由固体推进剂燃烧产生的强光触发拍摄；LAS测量系统，所述LAS测量系统包括激光发射装置和激光采集装置，所述激光发射装置和激光采集装置分别安装在所述高压燃烧室的两端，使得所述激光发射装置发射的激光依次经过一个所述视窗、所述封闭腔室和另一个所述视窗后被所述激光采集装置接收采集后形成LAS信号；以及计算机，所述计算机与所述高速相机、激光发射装置和激光采集装置电连接，用于处理所述高速相机拍摄的照片和所述LAS信号，以实现同步对固体推进剂的燃烧温度、燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量。2.如权利要求1所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述激光发射装置包括CO2激光器、CO激光器、反射镜和二向色合束镜，所述CO2激光器和所述CO激光器发射的激光通过所述反射镜和二向色合束镜形成一束激光，其中，所述CO2激光器发射中心波长为4.17um的激光束，所述CO激光器发射中心波长为4.57um的激光束。3.如权利要求2所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述激光采集装置包括二向色分束镜、4.17um滤光片、4.57um滤光片、CO2中红外探测器和CO中红外探测器，所述二向色分束镜将经过火焰吸收后的激光束分成两束激光束，两束激光分别经过4.17um滤光片和4.57um滤光片被所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器接收，所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器将采集到的LAS信号数据发送至计算机。4.如权利要求3所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述激光采集装置还包括聚光镜，所述聚光镜能够将激光束聚焦在探测器所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器的中心。5.如权利要求1所述的固体推进剂燃烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾明明，周忠岳，齐飞，侯凯宇，欧阳鉴锋，王绍杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：