一种收集固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的装置的制作方法

1.本发明属于固体火箭发动机燃料技术领域，具体涉及一种收集固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的装置。


背景技术：

2.现代的固体火箭发动机广泛采用含铝推进剂，发动机工作过程生成的燃气中含有大量的al2o3凝相粒子(以下简称“凝相粒子”)，燃烧室内的流动是典型的两相流。凝相粒子的形态和粒度分布会对发动机能量特性、绝热材料的烧蚀特性以及发动机燃烧不稳定性等产生很大影响。如导弹在高速机动过程中，较大的侧向过载会严重影响凝相粒子在燃烧室内的运动规律，导致不同粒度的凝相粒子在局部聚集形成大粒径颗粒，而大颗粒对绝热层的烧蚀和机械冲刷作用较为突出，严重时导致热防护失效。另外，凝相粒子的直径对发动机比冲效率有很大影响，粒子直径每变化1μm，约使比冲效率变化1％。由于上述问题均与燃烧室中凝相粒子的粒径分布有很大关系，因此有必要开展燃烧室凝相粒子粒径分布的试验研究。
3.国内外对固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的粒径分布开展了大量研究工作，得到了一些有价值的研究结果。大多采用与真实固体发动机一致的固体燃气发生器作为燃气源，采用冷却液或冷却水等方式进行凝相粒子收集。但由于高温的凝相粒子与冷却液或冷却水会发生化学反应，导致凝相粒子形态和粒径会发生变化。为了获得更加真实可信的凝相粒子形态和粒径，迫切需要设计一种新型的燃烧室凝相粒子收集装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种收集固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的装置，能够模拟固体火箭发动机的真实工作环境，同时能够在保持凝相粒子形态和粒径不变的情况下，对燃烧室内的凝相粒子进行收集，从而获得真实发动机中燃烧室中凝相粒子形态和粒径分布情况。
5.本发明采用以下技术方案：一种收集固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的装置，包括相连接的固体燃气发生器和粒子收集系统，其中：固体燃气发生器包括：
6.筒体段，为筒状腔体结构，水平放置，其前端封闭，后端为敞口状；
7.药柱，为长条状，截面为环形，水平放置于筒体段内，且前端固定于筒体段的前端，其燃面端位于筒体段的后端，在燃面燃烧时，产生含凝相粒子的燃气，且燃气充满腔体及药柱内环，在筒体段前端封闭时，燃气由筒体段的后端排出；
8.粒子收集系统包括：
9.粒子收集装置，为一腔体结构，竖直设置，腔体内盛装有液氮，液氮用于冷却燃气和收集凝相粒子；
10.第二转接管，为一弯管，其一端与粒子收集装置的上端连接，且与腔体相连通；
11.第一转接管，一端筒体段的前端相连接，且连通，且其连通的位置位于药柱的内环
的空间；
12.电磁阀，连接于第二转接管和第一转接管间；
13.电磁阀用于：连通或者封闭第二转接管和第一转接管；且在药柱燃烧后，电磁阀打开一时间段后关闭，在打开时，药柱产生的燃气流入第一转接管，并流入液氮中。
14.进一步地，在粒子收集装置内，液氮的装填量在竖直方向上不超过粒子收集装置高度的三分之二。
15.进一步地，在筒体段的后端连接有一后盖壳体，后盖壳体为前端大后端小的壳体结构，且其前后两端均为敞口状，与筒体段相连通，且在后盖壳体的后端连接有喷管。
16.进一步地，在筒体段内前端及一周设置有一层绝热层。
17.进一步地，在药柱的后端内侧设置有点火药包，点火药包用于点火以引燃药柱。
18.进一步地，在后盖壳体上焊接有测压座，在测压座上安装压强传感器，用于监测和记录工作压强，判定是否开启电磁阀。
19.进一步地，该第一转接管、第二转接管、粒子收集装置、筒体段间均通过螺纹连接。
20.进一步地，该后盖壳体和喷管间螺纹连接。
21.进一步地，该药柱的长度小于筒体段的长度。
22.本发明的有益效果是：1.利用液氮对燃气冷却降温，在粒子收集装置底部沉降，且液氮不与燃气反应，保证了凝相粒子形态和粒径能够保持不变，从而获得真实发动机中燃烧室中凝相粒子形态和粒径分布情况。2.通过设置粒子收集装置与筒体段管路连通，且在管路上设置电磁阀，通过电磁阀的开关，控制管路的连通与闭合，且利用燃气在筒体段内的压强大于粒子收集装置端压力低的特性，使燃气反向流入粒子收集装置，不需要额外的功力装置，方便控制。3.采用电磁阀控制管路的连通与闭合，易于在选定的时间段内精准控制。4.固体燃气发生器能够模拟固体火箭发动机的真实工作环境。
附图说明
23.图1为一种收集固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的装置；
24.其中：a.固体燃气发生器；b.粒子收集系统；1.前顶盖；2.筒体段；3.绝热层；4.药柱；5.点火药包；6.后盖；7.喷管；8.压座；9.第一转接管；10.电磁阀；11.第二转接管；12.粒子收集装置。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
26.本发明公开了一种收集固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的装置，如图1所示，包括相连接的固体燃气发生器a和粒子收集系统b，其中：固体燃气发生器a包括：
27.筒体段2，为筒状腔体结构，水平放置，其前端封闭，后端为敞口状；前端设置前顶盖1，以实现封闭。
28.药柱4，为长条状，截面为环形，水平放置于筒体段2内，长度小于筒体段2的长度，且前端固定于所述筒体段2的前端，且其燃面端位于筒体段2的后端，在燃面燃烧时，产生含凝相粒子的燃气，且燃气充满腔体及药柱4内环，在筒体段2前端封闭时，燃气由筒体段2的后端排出。药柱4采用固体推进剂，用于燃烧以提供与真实发动机内相同的高温、高压燃气；
其环形的内腔起到了作为燃气朝向前端流动的通道。
29.粒子收集系统b包括：
30.粒子收集装置12，为一腔体结构，竖直设置，腔体盛装有液氮，液氮用于冷却燃气和收集凝相粒子；在粒子收集装置12中倒入液氮时，装置外部包裹保温层，用于减缓液氮的挥发。第一转接管9、第二转接管11、粒子收集装置12、筒体段2间均通过螺纹连接，实现快速的连接、安装。以防止因液氮挥发过多，在电磁阀10后产生较大气压，燃气无法进入粒子收集装置12。
31.粒子收集装置12和筒体段2间管路连接，具体如下：设置第二转接管11，为一弯管，其一端与粒子收集装置12的上端连接，且与腔体相连通；第一转接管9，一端筒体段2的前端相连接，且连通，且其连通的位置位于药柱4的内环的空间；具体地，是在前顶盖1上设置有一个通孔，为具有法兰盘的平板，通孔位于药柱4的内环的空间所在的位置，通孔内设置有内螺纹，与第一转接管9螺纹连接。电磁阀10，连接于第二转接管11和第一转接管9间；电磁阀10选用耐高温耐腐蚀介质的特种阀，通过通断电进行燃气导通控制。
32.电磁阀10用于：连通或者封闭第二转接管11和第一转接管9；且在药柱4燃烧后，电磁阀10打开一时间段后关闭，在打开时，药柱4产生的燃气流入第一转接管9，并流入液氮中。
33.基本原理如下：点火药包5接收到点火信号后被点燃，所产生的燃气引燃药柱4表面后，燃烧产生高温、高压、含凝相粒子的燃气，判定连接测压座8测试的工作压强基本稳定后，开启电磁阀10，燃气依次经前顶盖1、第一转接管9、电磁阀10、第二转接管11进入粒子收集装置12中，燃气经液氮冷却降温后，在该装置底部沉降，且液氮不与燃气反应，凝相粒子形态和粒径能够保持不变。
34.液氮的用量不用太多，因为只是作为液体，起到收集的作用，考虑液氮的挥发量，在粒子收集装置12内，液氮的装填量在竖直方向上不超过粒子收集装置12高度的三分之二。
35.在筒体段2的后端连接有一后盖壳体6，后盖壳体6为前端大后端小的壳体结构，且其前后两端均为敞口状，与筒体段2相连通，且在后盖壳体6的后端连接有喷管7，后盖壳体6和喷管7间螺纹连接，在后盖壳体6和喷管7相连接端的端面间采用端面o形圈密封。
36.在筒体段2内前一周设置有一层绝热层3。绝热层3粘接在前顶盖1、筒体段2、后盖壳体6的内侧，对固体燃气发生器a壳体起防热作用。
37.在药柱4的后端内侧设置有点火药包5，点火引线从喷管7出口引出，点火药包5用于点火以引燃药柱4。
38.在后盖壳体6上焊接有测压座8，在测压座8上安装压强传感器，用于监测和记录工作压强，判定是否开启电磁阀10。
39.在使用该装置时，确保电磁阀10关闭后，固体燃气发生器点火启动，设计工作时间为t；待工作时刻为0.2t时，确定工作压强基本稳定在平衡压强peq后，立刻打开电磁阀10，此时筒体段2内压强高于电磁阀10前的压强，燃气将依次经前顶盖1、第一转接管9、电磁阀10、第二转接管11进入粒子收集装置12内，被液氮冷却降温后，在粒子收集装置12底部沉降；待工作时刻为0.8t时，关闭电磁阀10；拆开转接管211与粒子收集装置12，将液氮与燃气的混合物过滤，滤渣沥干或烘干后，即获得工作时间范围为0.2～0.8t内的凝相粒子，该段
时间内采样时压强稳定、燃气组成及含量变化微小，且液氮不与燃气反应，凝相粒子形态和粒径能够保持不变，因此，最能真实反映出燃烧室内凝相粒子的状态。