一种固体推进剂旋转燃烧测量装置及测量方法

本发明属于固体火箭发动机测试，具体涉及一种固体推进剂旋转燃烧测量装置及测量方法。

背景技术：

1、随着新型导弹武器装备的发展，旋转状态下固体火箭发动机的燃烧性能受到了越来越多的重视，其固体推进剂在燃烧过程中受旋转状态的影响较大；为了获得固体推进剂的旋转燃烧性能参数，需要固体推进剂的旋转燃烧试验装置。

2、激光远程点火在固体推进剂点火燃烧实验中是一种可靠性高、安全性好的试验方法。通过调节激光器的激光功率、激光加载时间，可以实现固体推进剂激光点火能量和能量密度的精确调节，受到推进剂燃烧压强与推进剂燃烧环境的外界因素的影响较小。

3、然而目前的固体推进剂激光点火试验装置无法模拟弹体旋转过程中推进剂的旋转运动，无法测量旋转状态下固体推进剂燃烧过程中的火焰结构、火焰温度分布以及金属颗粒团聚参数。

4、因此，急需开发一种可以记录和测量旋转状态下固体推进剂燃烧过程并进行分析的旋转点火与燃烧试验装置。

技术实现思路

1、为了解决现有的固体推进剂高压点火燃烧装置不能测量旋转状态下推进剂的燃烧参数的问题，本发明提供一种固体推进剂旋转燃烧测量装置及测量方法。

2、本发明所述固体推进剂旋转燃烧测量装置，包括筒状的燃烧室、安装在燃烧室底部的电机、位于燃烧室上方的激光器和位于燃烧室外的光学测量组件；燃烧室包括顶板、底板、连接在顶板和底板之间的筒壁、以及内部的高速轴；顶板和底板中央部均开设有通孔，顶板的通孔上安装有玻璃盖板并将通孔封闭，底板的通孔中安装有轴承，轴承的外圈与底板的通孔壁固定连接；高速轴为自下而上直径依次变大的台阶轴，高速轴下端穿过轴承的内圈并与电机的转轴相连，高速轴下端部的周面与轴承的内圈固定连接，高速轴上端面开设有用于盛装固体推进剂并防止试验中出现固体推进剂脱落现象的第一凹槽；激光器经玻璃盖板对准第一凹槽；筒壁上开设有玻璃视窗，光学测量组件经玻璃视窗对准燃烧室内的第一凹槽。

3、为了稳定放置轴承，底板上的通孔是在圆形底板的中央部自顶面朝下先挖出一个圆形的第二凹槽，再在第二凹槽底面向下挖出一个圆形的贯穿孔而成，第二凹槽的直径大于贯穿孔的孔径且第二凹槽与贯穿孔同轴；轴承放置在第二凹槽内，轴承的外圈与第二凹槽的周壁为间隙配合固定，这样，能够在固体推进剂高速旋转的过程中防止轴承外圈与底板相对转动；第二凹槽的上口沿向上凸起形成一圈凸台。

4、为了使高速轴能够稳定旋转，高速轴具有四个台阶，自下而上依次为第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶，其中，第一台阶上的台阶面为第一轴周面，第二台阶上的台阶面为第二轴周面；第一轴周面分为上段和下段，上段的表面为光滑面，下段为设有外螺纹的螺纹段，轴承的内圈与光滑面过盈配合固定，轴承的内圈顶面支撑高速轴的第二台阶，在螺纹段的表面沿轴线设置有第三凹槽，螺纹段上套设具有卡爪的止动垫圈并螺纹连接具有凹槽的圆螺母，止动垫圈的卡爪分别与螺纹段的第三凹槽和圆螺母上的凹槽配合。这样，能够防止出现轴承的内圈与高速轴相对滑动，而导致电机与固体推进剂转速不匹配的问题。

5、为了确保轴承的稳固安装，轴承具有轴承盖，轴承盖是在一圆管的上端沿着外周面设置一圈第一凸环而成，圆管下端伸进第二凹槽并压住轴承的外圈顶面，上端的第一凸环固定在凸台上，高速轴穿过圆管且第二轴周面与圆管的内周壁相对。这样，能够实现轴承的稳定安装，同时还保证了高速轴的正常旋转。

6、为了使电机安装可靠、稳定，电机通过电机法兰与底板固定连接，电机法兰是在顶部开口、底面设有贯通孔的管体上，在上端沿着外周面设置一圈第二凸环而成，贯通孔的直径小于顶部开口的直径且贯通孔与顶部开口同轴，电机法兰的第二凸环与底板固定连接，电机的转轴伸进贯通孔并通过联轴器与高速轴下端连接，电机的壳体与电机法兰的管体底部固定连接。上述联轴器对电机的同轴度有修正作用。

7、为了实现可靠测量，光学测量组件包括用于拍摄和数据储存的高速ccd相机以及用于测量火焰温度的红外测温仪；激光器包括激光发生器及用于使激光发生器发出的激光进入第一凹槽的入射光路。

8、本发明还提供一种使用上述的固体推进剂旋转燃烧测量装置的测量方法，包括以下步骤：1）启动电机，带动高速轴旋转，第一凹槽中的固体推进剂随之旋转；2）在旋转稳定后，使用激光器发射激光对固体推进剂进行点火；3）同时使用光学测量组件对燃烧过程的火焰形状、火焰温度、金属颗粒团聚现象进行记录。

9、有益效果：本发明的固体推进剂旋转燃烧测量装置通过控制固体推进剂的转速，可以采集和记录不同转速下固体推进剂的燃烧数据与金属颗粒团聚现象，从而进一步分析和研究固体推进剂的旋转燃烧特性；工作过程中，电机带动高速轴旋转，高速轴将电机传递的转速传递给固体推进剂；转速稳定后，激光器通过激光对固体推进剂进行远程点火，光学测量组件经玻璃视窗对固体推进剂旋转燃烧过程中的火焰形状、火焰温度与金属颗粒团聚现象进行拍摄和记录，从而实现对旋转状态下固体推进剂动态燃烧特性的研究。

技术特征：

1.一种固体推进剂旋转燃烧测量装置，其特征在于，包括筒状的燃烧室（1）、安装在燃烧室（1）底部的电机（2）、位于燃烧室（1）上方的激光器（3）和位于燃烧室（1）外的光学测量组件（4）；燃烧室（1）包括顶板（11）、底板（12）、连接在顶板（11）和底板（12）之间的筒壁（13）、以及内部的高速轴（14）；顶板（11）和底板（12）中央部均开设有通孔，顶板（11）的通孔上安装有玻璃盖板（111）并将通孔封闭，底板（12）的通孔中安装有轴承（16），轴承（16）的外圈与底板（12）的通孔壁固定连接；高速轴（14）为自下而上直径依次变大的台阶轴，高速轴（14）下端穿过轴承（16）的内圈并与电机（2）的转轴相连，高速轴（14）下端部的周面与轴承（16）的内圈固定连接，高速轴（14）上端面开设有用于盛装固体推进剂的第一凹槽（145）；激光器（3）经玻璃盖板（111）对准第一凹槽（145）；筒壁（13）上开设有玻璃视窗（131），光学测量组件（4）经玻璃视窗（131）对准燃烧室（1）内的第一凹槽（145）。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂旋转燃烧测量装置，其特征在于，底板（12）上的通孔是在圆形底板的中央部自顶面朝下挖出一个圆形的第二凹槽（122），再在第二凹槽（122）底面向下挖出圆形的贯穿孔（123）而成，第二凹槽（122）的直径大于贯穿孔（123）的孔径且同轴；轴承（16）放置在第二凹槽（122）内，轴承（16）的外圈与第二凹槽（122）的周壁为间隙配合固定；第二凹槽（122）的上口沿向上凸起形成一圈凸台（121）。

3.根据权利要求2所述的固体推进剂旋转燃烧测量装置，其特征在于，高速轴（14）具有四个台阶，自下而上依次为第一台阶（141）、第二台阶（142）、第三台阶（143）和第四台阶（144），其中，第一台阶（141）上的台阶面为第一轴周面，第二台阶（142）上的台阶面为第二轴周面；第一轴周面分为上段（1411）和下段（1412），上段（1411）的表面为光滑面，下段（1412）为设有外螺纹的螺纹段，轴承（16）的内圈与光滑面过盈配合固定，轴承（16）的内圈顶面支撑高速轴（14）的第二台阶（142），在螺纹段的表面沿轴线设置有第三凹槽（146），螺纹段上套设具有卡爪的止动垫圈（17）并螺纹连接具有凹槽的圆螺母（18），止动垫圈（17）的卡爪分别与螺纹段的第三凹槽（146）和圆螺母（18）上的凹槽配合。

4.根据权利要求3所述的固体推进剂旋转燃烧测量装置，其特征在于，轴承（16）具有轴承盖（15），轴承盖（15）是在一圆管的上端沿着外周面设置一圈第一凸环（151）而成，圆管下端伸进第二凹槽（122）并压住轴承（16）的外圈顶面，上端的第一凸环（151）固定在凸台（121）上，高速轴（14）穿过圆管且第二轴周面与圆管的内周壁相对。

5.根据权利要求4所述的固体推进剂旋转燃烧测量装置，其特征在于，电机（2）通过电机法兰（19）与底板（12）固定连接，电机法兰（19）是在顶部开口、底面设有贯通孔的管体上，在上端沿着外周面设置一圈第二凸环（191）而成，贯通孔的直径小于顶部开口的直径且同轴，电机法兰（19）的第二凸环（191）与底板（12）固定连接，电机（2）的转轴伸进贯通孔并通过联轴器与高速轴（14）下端连接，电机（2）的壳体与电机法兰（19）的管体底部固定连接。

6.根据权利要求5所述的固体推进剂旋转燃烧测量装置，其特征在于，光学测量组件（4）包括用于拍摄和数据储存的高速ccd相机以及用于测量火焰温度的红外测温仪；激光器（3）包括激光发生器及用于使激光发生器发出的激光进入第一凹槽（145）的入射光路。

7.使用权利要求1-6中任一项所述的固体推进剂旋转燃烧测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1）启动电机（2），带动高速轴（14）旋转，第一凹槽（145）中的固体推进剂随之旋转；2）在旋转稳定后，使用激光器（3）发射激光对固体推进剂进行点火；3）同时使用光学测量组件（4）对燃烧过程的火焰形状、火焰温度、金属颗粒团聚现象进行记录。

技术总结本发明公开一种固体推进剂旋转燃烧测量装置及测量方法，该装置包括筒状燃烧室、安装在燃烧室底部的电机、位于燃烧室上方的激光器和位于燃烧室外的光学测量组件，燃烧室包括顶板、底板、筒壁、及高速轴，顶板和底板中央部均设有通孔，顶板通孔上安装有玻璃盖板并将通孔封闭，底板通孔中安装有轴承，轴承外圈与底板通孔壁固定连接，高速轴为自下而上直径依次变大的台阶轴，高速轴下端穿过轴承内圈并与电机转轴相连，高速轴下端部的周面与轴承内圈固定连接，高速轴上端面设有第一凹槽，激光器经玻璃盖板对准第一凹槽，筒壁上设有玻璃视窗，光学测量组件经玻璃视窗对准燃烧室内的第一凹槽。本发明能够测量旋转状态下固体推进剂的燃烧参数。技术研发人员：刘星雨,武炎,薛海峰,许进升,李映坤,陈雄受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23