固体推进剂结构约束下热刺激响应烈度评估装置及方法

本发明涉及空天动力，具体为一种固体推进剂结构约束下热刺激响应烈度评估装置及方法。

背景技术：

1、固体推进剂是一种通过燃烧方式释放能量并能将内含的化学能转变为高速喷气动能的火炸药，广泛用在航天运载和火箭导弹武器中。固体推进剂在合适的贮存条件下通常能稳定存在，但当其受到意外热源持续刺激时就可能发热起火，引发燃烧爆炸事故。随着航天和军事上对推进剂的高能、高燃速需求增加，固体推进剂在热刺激下的安全性以及发生燃爆时的烈度等问题的重要性更加突出。

2、固体推进剂通常被约束在发动机壳体内，其在热载荷刺激下的响应行为跟粉末样品和无约束推进剂均有很大区别，因此仅仅依赖差示扫描量热法、热重分析、红外分析等分析手段研究推进剂热分解特性是不够的。为了满足研究推进剂在结构约束下的热响应烈度试验和烈度评估需求，有必要设计制造类似发动机壳体的约束装置以便开展结构约束下各种推进剂的热刺激试验。

3、通过制造各种外形和尺寸的烤燃装置对固体推进剂展开热刺激试验，可以获得更贴近真实热刺激环境的推进剂响应行为，并对同一条件下的多种推进剂的热刺激响应烈度进行分级。然而，现有的推进剂热刺激装置为一体加工的封闭壳体，一次性使用，难以实现不同结构约束强度的方便切换，而且对于响应烈度的判断基于壳体破碎程度等现象。为了解决上述问题，本发明提出一种固体推进剂结构约束下热刺激响应烈度评估装置。

技术实现思路

1、1、本发明要解决的技术问题

2、本发明的目的在于提供一种固体推进剂结构约束下热刺激响应烈度评估装置以解决背景技术中所提到的问题。

3、2、技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、本发明对固体推进剂热刺激试验装置进行改进，通过将约束结构模块化实现试验装置上不同约束强度部件的可替换；通过ccd高速相机纹影系统捕获的起爆过程图像计算冲击波速度，通过热电偶可以监测装置不同位置的温度，通过压力传感器监测冲击波超压。结合冲击波速度、冲击波压力、铝见证板凹痕体积可对推进剂响应烈度进行综合评估；进一步搭建一套模块化的实验装置并提出了一种基于多种测量数据的响应烈度评估方法。具体包括如下内容：

6、一种固体推进剂结构约束下热刺激响应烈度评估装置，所述装置包括有防爆箱、加热器、约束结构、数据采集系统、纹影系统，其中：

7、所述防爆箱包括玻璃视窗及箱体；

8、所述加热器包括加热器壳体、加热棒、导线、加热控制设备；

9、所述加热棒一端插入加热器壳体，另一端通过导线连接加热控制设备；所述加热控制设备用以控制加热棒实现电热升温；加热器壳体除了可支撑加热棒外，还能使热量较为均匀地传递到与推进剂试样接触的面上；

10、所述约束结构包括上夹具、下夹具、约束壳体以及紧固螺栓；

11、所述约束壳体内装有推进剂试样，所述约束壳体与加热器壳体间采用螺纹连接、橡胶圈密封；所述下夹具固定连接于箱体内底面上，所述上夹具、下夹具分别设置于约束壳体上、下两侧以固定约束壳体，所述上夹具、下夹具之间通过紧固螺栓相连接；为了量化推进剂在结构约束下的热刺激响应烈度，所述约束壳体上有设置有一处厚度最小的预制脆弱点，所述预制脆弱点外部安装有预制破片结构，在推进剂起爆时此处将会断裂，预制破片结构将会飞溅形成定向破片，冲击铝见证板并留下凹痕；

12、所述数据采集系统包括加热器热电偶、约束壳体热电偶、铝见证板、压力传感器；所述加热器热电偶、约束壳体热电偶分别用以监测加热器壳体以及约束壳体中的温度；所述铝见证板固定安装在箱体内部靠近预制破片结构一侧内壁上，所述压力传感器固定安装于箱体靠近铝见证板一侧的内底面上以测量推进剂起爆过程的冲击波压力；为获得较好的冲击波压力测量数据，压力传感器被布置在约束壳体和铝见证板之间的一个距离三等分点上，且是距铝见证板较近的三分点上，这样布置更容易检测到冲击波以及从压力曲线上区分冲击波及其触壁反射波。

13、所述加热控制设备可以控制加热棒实现电热升温，热量经加热器壳体传导到推进剂试样上，推进剂持续升温，在某一时刻会发生点火并迅速增长为燃烧或爆轰，封闭的约束壳体内压力急剧增大，最终使约束壳体上的预制脆弱点破坏，预制破片结构飞出形成定向破片，在冲击铝见证板上留下凹痕；

14、所述纹影系统包括led点光源、入射抛物面镜、出射抛物面镜、ccd高速相机；所述led点光源发出的光束经入射抛物面镜后变成平行光并透过一侧玻璃视窗，平行光从另一侧的玻璃视窗射出后将经出射抛物面镜反射并汇聚为点光束，所述ccd高速相机将此光信号滤光后采集处理，输出高清的纹影图像；所述ccd高速相机透过箱体一侧的玻璃视窗拍摄推进剂起爆过程。

15、优选地，所述加热器壳体为铜制阶梯形圆柱，其一端开有两个深孔，所述深孔与加热棒相匹配。

16、优选地，为了避免推进剂起爆时试验装置在除预制脆弱点以外的其他薄弱结构处破坏导致试验效果不理想，所述加热器热电偶及约束壳体热电偶的前端与所述推进剂试样的最短距离不小于预制脆弱点的厚度。

17、优选地，防爆箱的箱体两侧设置的玻璃视窗是为了便于纹影系统拍摄推进剂热刺激响应起爆过程；每做完一发推进剂试验需要拆卸装置，擦拭玻璃视窗使其保持整洁以免影响拍摄画面的质量。

18、优选地，所述约束壳体两侧开设有凹槽，所述凹槽与上夹具、下夹具相匹配。

19、优选地，为了方便地进行不同结构约束强度下的热刺激试验，预制了多种具有不同厚度预制脆弱点的约束壳体。为了避免因破片质量不一而引入不必要变量，因此将各种可换用的约束壳体上的预制破片结构厚度都做成了相同厚度。所述预制破片结构的侧面及飞溅方向留设有一定空间，以确保破片顺利飞出并且过程中不与除铝见证板外的其他结构碰撞或剐蹭。

20、一种固体推进剂结构约束下热刺激响应烈度评估方法，包括以下步骤：

21、s1、制备某种组分推进剂的φ10mm×20mm圆柱状推进剂试样；

22、s2、将s1中所制得的推进剂试样放进约束壳体内，连接加热器壳体，使用上夹具、下夹具及紧固螺栓固定约束壳体后插入加热棒；

23、s3、调试数据采集系统使采集数据质量较好，封闭防爆箱的箱体；

24、s4、搭建并调试纹影系统；

25、s5、使用加热控制设备控制加热棒加热，监测从加热到推进剂热响应燃爆过程结束的温度、压力和视频信号；

26、s6、取出铝见证板放在水平桌面上，采用细沙等超细粉体填充见证板表面的凹痕，用长直尺轻轻刮去高于见证板边缘的细沙，称量铝见证板上剩余细沙的质量，根据该细沙的松装密度计算出细沙体积作为凹痕体积、破片冲击威力的度量；

27、s7、根据ccd高速相机纹影系统拍摄的图像计算加热致爆温度、冲击波速度，记录各热电偶的峰值温度、压力传感器测得的第一个压力峰值、铝见证板凹痕体积；

28、s8、根据冲击波速度、冲击波压力、铝见证板凹痕体积三项指标评估推进剂结构约束下热刺激响应烈度，撰写试验记录报告。

29、3、有益效果

30、(1)结构简单、工作可靠：本发明的试验装置只有十几个主要零部件，相互之间配合严密、连接紧实，装置整体工作可靠、安全性高。

31、(2)部件模块化：本发明的试验装置中的主要部件均可方便拆卸，特别是约束壳体可拆卸下来，方便地清除其内部残存的余药或残渣以便尽快开展下一发试验。

32、(3)关键耗材系列化：因为约束壳体上的预制脆弱点和预制破片结构被设计用于形成定向破片，约束壳体属于耗材，为方便地进行不同结构约束强度下的热刺激试验，预制了多种具有不同厚度预制脆弱点的约束壳体。

33、(4)响应烈度定量化：通过测量冲击波速度、冲击波压力、破片冲击铝见证板留下的凹痕体积可以定量表征推进剂试样在一定条件下发生热刺激起爆的烈度。

34、(5)响应烈度可视化：使用ccd高速相机和若干光学器件搭建的纹影系统可以拍摄到清晰的推进剂起爆过程，由空气密度波动反映的冲击波结构和传播过程清晰可见。