一种模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置及冷流实验方法

1.本发明属于火箭发动机测试技术领域，具体涉及一种模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置及冷流实验方法。


背景技术：

2.战略导弹是世界各国远程打击和战略威慑的核心力量，为应对先进弹道导弹防御系统升级和全球快速打击能力持续提升的挑战，战略导弹需具备“远射程投送、高机动突防”、部署灵活、用途多样、提升末端突防和生存能力等特征。通常来说战略导弹采用固体火箭发动机，其易于存储、方便发射，因此要求发动机具备高能化和性能随控等特征。分装组合固体火箭发动机是实现发动机及推进剂钝感高能化、性能主动调控的重要技术途径之一。
3.与传统固体火箭发动机系统构成相比，分装组合固体火箭发动机具有两个甚至多个独立装药燃烧室、混合燃烧室以及流量调节装置等结构，系统构成复杂度提高；需要考虑富燃和富氧燃气自持燃烧、两种燃气耦合燃烧、混合燃烧室构型以及氧燃比等多因素耦合特性的工作过程建模要素，在此基础上获得发动机性能受影响因素的作动规律。
4.与传统的冷流实验装置相比，模块化的分装组合固体火箭发动机试车台能够考虑多种因素影响下的发动机工作状态，并通过控制变量法对各种影响因素进行单独研究，同时进行冷流实验可以提供燃气掺混的规律特性，更好的掌握两种燃气掺混燃烧的效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置及冷流实验方法。
6.本发明的目的通过如下技术方案来实现：
7.一种模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置，包括发动机支撑架、发动机主体和配套测试设备，发动机支撑架承托发动机主体，配套测试设备获取实验数据；
8.所述支撑架包括第一支撑块、第二支撑块、加强肋、轴向安全限位装置和基座，第一支撑块和第二支撑块固定在基座上，加强肋与轴向安全限位装置连接，再一起固定在基座上；
9.所述发动机主体包括依次通过法兰盘连接的示踪粒子掺混段、圆转方过渡段、稳流段、流量调节段、前燃室、燃气掺混段、后燃室和尾喷管；在示踪粒子掺混段前端设置轴向进气孔，与供气系统连接；在燃气掺混段的顶部和底部均设置侧向进气孔，与供气系统连接；侧盖板通过螺栓连接将观察窗固定在前燃室上，燃气掺混段和后燃室均以相同方式安装观察窗和侧盖板；燃气掺混段上安装顶盖板；
10.配套测试设备包括压力传感器基座和温度传感器基座；稳流段、前燃室、燃气掺混段及后燃室均连接压力传感器基座和温度传感器基座，固定压力传感器和温度传感器，获
取发动机主体内弹道的压力及温度数据。
11.进一步地，所述燃气掺混段内部设置多孔介质板和探针，多孔介质板嵌入在燃气掺混段内的凹槽中，上部加盖板采用螺栓连接，盖板中间设置方形孔；探针顶端与燃气掺混段的传感器连接。
12.进一步地，所述流量调节段采用渐缩-突扩的形式，将上游的亚音速高压气体经过流量调节段加速，压力及温度降低。
13.进一步地，所述圆转方过渡段和稳流段，均采用头尾法兰结构，法兰盘通过焊接与圆转方过渡段(8)和稳流段连接。
14.一种模块化的分装组合固体火箭发动机试车台冷流实验方法，具体步骤如下：
15.1.将轴向进气管和侧向进气管通过螺纹连接的方式分别与轴向进气孔和侧向进气孔连接；
16.2.将纹影系统以“z”字型光路搭建好；
17.3.开始试验，首先开启高速摄影、压力传感器和温度传感器，记录未通气体的发动机内流场；
18.4.打开供气系统的阀门，向发动机内注入高压氮气和氩气，气体经轴向进气孔流入粒子掺混段和稳流段，进入发动机内，经流量调节段加速进入前燃室，气体经侧向进气孔流入燃气掺混段顶部和底部，经过多孔介质板稳定流入发动机内流场，与轴向来流相遇掺混，经后燃室和尾喷管流出发动机；
19.5.等待发动机内压力稳定后，关闭供气系统阀门，查看高速摄影记录的图像和传感器采集的数据，分析结果。
20.本发明的有益效果在于：
21.1、本发明设计有轴向安全限位装置，防止试车过程中发动机出现轴向位移的危险情况；
22.2、本发明提出的模块化的分装组合固体火箭发动机试车台的整个实验装置各部分均属于模块化装置，大大降低实验成本；
23.3、本发明提出的模块化的分装组合固体火箭发动机试车台可以通过更换不同尺寸的流量调节段半径、后燃室尺寸、前燃室尺寸及不同的气体的质量流量，适应不同试验模型，以对比发动机各部分装置不同尺寸对气流流动掺混带来的影响。
24.4、本发明提出的模块化的分装组合固体火箭发动机试车台，可以通过示踪粒子结合纹影法更加细致的观测到气体在燃气掺混段内的掺混情况。
25.5、本发明提出的模块化的分装组合固体火箭发动机试车台与冷流实验方法具有操作简单、容易拆卸等特点，并且可通过多部位的传感器获得整个实验过程中发动机内流场的实时压力和温度数据。
26.6、本发明提出的一种模块化的分装组合固体火箭发动机试车台与冷流实验方法，观测燃气掺混现象采用纹影法，纹影法的光路布置采用z形光路，通过两面凹面反射镜(纹影镜)将光路折叠为z形，光源出口和刀口均布置于反射镜焦点处。z形光路的优点在于测试段在平行光当中，对于燃气掺混段的观察窗口，光线可以垂直于表面穿过，避免折射，观测效果更好。
附图说明
27.图1是本发明模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置总体装配图；
28.图2是本发明模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置的基座、支撑结构及安全限位装置的装配图；
29.图3是本发明模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置的发动机主体结构装配图；
30.图4是本发明模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置的发动机主体轴向剖切图；
31.图5是本发明模块化的分装组合固体火箭发动机试车台装置的流量调节段轴向剖切图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步描述。
33.根据图1，发动机模型采用常规固体火箭发动机缩比得到，选用q235作为发动机壳体和发动机支撑架的材料，具有强度高，质量小的特点。本发明的主要部分由发动机支撑架、发动机主体以及配套测试设备组成。发动机支撑架承托发动机主体，并通过配套测试设备获得实验数据。
34.根据图2，发动机支撑架的轴向安全限位装置4、第一支撑块1、第二支撑块2和加强肋3均通过焊接的方式固定在基座5上，第一支撑块1、第二支撑块2、加强肋3和基座5为主要承力结构，支撑块在安装时采用水平仪校准，通过该结构能够使发动机保持水平状态。轴向安全限位装置4分为前后两部分，通过焊接方式固定在基座5上，能够保证发动机在工作过程中不发生轴向位移，限制发动机的位置，保证实验过程的安全。
35.根据图3，发动机主体包括以下八段：示踪粒子掺混段7、圆转方过渡段8、稳流段9、流量调节段10、前燃室11、燃气掺混段14、后燃室19和尾喷管20，各段之间均通过法兰盘21连接，采用橡胶圈密封。轴向进气管和侧向进气管通过螺纹连接的方式分别与轴向进气孔6和侧向进气孔17连接，供气系统通过轴向进气管道和侧向进气管将高压高流量气体输送至发动机示踪粒子掺混段7，后进入稳流段9。
36.示踪粒子掺混段7采用壁厚10mm的圆管，可以在发动机头部的示踪粒子掺混段7注入示踪粒子，通过观察窗12更清晰的获得燃气掺混现象的图像。
37.圆转方过渡段8和稳流段9，均采用头尾法兰结构，法兰盘21通过焊接方式与圆转方过渡段8及稳流段9连接，两者均提供了稳流的作用，轴向气流经过较长距离的流动，稳定的进入流量调节段。
38.流量调节段10采用渐缩-突扩的形式，将上游的亚音速高压气体经过流量调节段加速，压力及温度降低。
39.前燃室11，考虑到推进剂药柱的存在，燃气在前燃室11流动的过程中会受到推进剂药柱的阻碍，因此，为了模拟这一流动现象，采用前燃室11的入口尺寸较出口尺寸偏大的设计方案。
40.观察窗12和侧盖板13，侧盖板13通过螺栓将观察窗12固定在前燃室11上，侧盖板13与前燃室11之间设计有密封槽，通过密封圈保证良好的气密性。后续的燃气掺混段14、后
燃室19均采用相同的固定方式。
41.燃气掺混段14的顶部和底部设计有侧向进气孔17，高压气瓶内的气体通过减压阀和软管将气体输送至燃气掺混段14内，在燃气掺混段14内设计有多孔介质板22，高速气流经过多孔介质板22后更均匀。
42.多孔介质板22嵌入在燃气掺混段14内的凹槽中，上部加盖板采用螺栓连接，盖板中间预留方形孔，保证气体顺利通过的同时将多孔介质板22紧紧固定在凹槽中，避免在实验过程中多孔介质板22出现摆动的危险情况。
43.温度传感器基座18和压力传感器基座16，在稳流段9、前燃室11、燃气掺混段14和后燃室19的顶部均设计有温度传感器基座16和压力传感器基座18，通过螺纹连接的形式，可将温度传感器和压力传感器固定于此，获得发动机内流场的温度和压力数据。燃气掺混段14的传感器和探针23连接，更准确的测量内流场的温度和压力。
44.尾喷管20将混合燃气膨胀加速，压力及温度均不断降低。
45.开始试验时，打开供气系统的阀门，气体经轴向进气孔6流入粒子掺混段7和稳流段9，进入发动机内，经流量调节段10加速进入前燃室11，气体经侧向进气孔17流入燃气掺混段14顶部和底部，经过多孔介质板22稳定流入发动机内流场，与轴向来流相遇掺混，经后燃室19和尾喷管20流出发动机。压力传感器和温度传感器通过螺纹连接的方式固定在压力传感器基座16和温度传感器基座18并测得各段内流场的压力和温度，稳流段9、前燃室11和后燃室19中传感器固定及测量方式均与上述相同。侧盖板13通过螺栓连接和橡胶圈密封的方式将观察窗12固定，高透光率的观察窗12可以更清晰的观察到混合燃气掺混现象。
46.根据图4，在燃气掺混段14内设计有多孔介质板22和探针23，多孔介质板22采用不锈钢烧结过滤板的材质，采用盖板加螺栓连接的方式嵌在燃气掺混段14的内层中，使燃气均匀的进入到发动机内流场。探针23采用“五孔探针”，将内流场的可以准确地测得燃气掺混段14内的温度和压力。
47.根据图5，流量调节段10的截面构型为“渐缩-突扩”，起到加速燃气流动的作用，同时可以调整喉部半径的不同，控制燃气的质量流量，以实现性能调控的目的。
48.本发明的装置在冷流实验开始前，将纹影系统以“z”字型光路搭建好，保证良好的光路质量，以便清晰的得到混合燃气掺混的图像。冷流实验开始，首先开启高速摄影和传感器，记录未通气体的发动机内流场；之后开启供气系统阀门，向发动机内注入高压氮气和氩气，等待发动机内压力稳定后，关闭供气管路阀门，查看高速摄影记录的图像和传感器采集的数据，分析实验结果。当需要进行某一模块不同尺寸的实验时，可以在做完一组试验后，仅更换变化的模块，继续进行实验，该方法可以考虑多种因素对发动机内流场掺混情况的影响。
49.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。