一種用於固體推進劑燃速/燃溫的測試裝置及其測試方法與流程
2023-05-27 16:53:46
本發明涉及一種燃速/燃溫的測試裝置，具體涉及一種可在密閉條件下用於固體推進劑燃速/燃溫的測試裝置及其測試方法，屬於固體推進劑燃燒性能測試領域。
背景技術：
固體推進式滅火技術作為一種哈龍替代滅火技術，是一種以固態反應物作為推進劑，通過有控制的快速反應，瞬間產生大量惰性氣體產物(如氮氣、水蒸氣及CO2等)來驅動滅火介質釋放，達到撲滅火災效果的一套滅火裝置。該技術憑藉著響應速度快、佔用空間小、可常壓保存、可產生豐富的惰性介質，並且可在100ms內釋放滅火介質等特性在飛行器材內狹小空間滅火領域取得了廣泛應用。然而，作為固體推進式滅火裝置驅動源的固體推進劑一直存在著產物溫度過高、燃燒速率不穩定等缺點，抑制滅火效果，成為了制約其發展的嚴重障礙。
首先，固體推進劑產生的惰性滅火介質存在出口溫度高的缺點，導致在滅火裝置噴口形成外噴火焰，可能引燃未燃的可燃物，會對被保護空間形成二次危害。因此，如何採取措施有效測量待測推進劑的燃溫成為一項重要工作。
其次，固體推進劑的燃速是一項評估推進劑性能的重要指標。燃速過快可能導致固體推進劑在滅火裝置的反應器內燃燒不受控，甚至達到爆燃，給被保護空間的人員和設備的使用帶來危險；燃速過低又會使得推進劑的產氣速率大大降低，減緩滅火劑的噴射，削弱滅火效能。
因此，如何有效獲得推進劑的燃溫、燃速及燃速壓力指數這三項參數在推進劑介質性能評估中顯得非常重要。
密閉爆發器測試推進劑燃速法是測試燃速的常規方法，其優勢在於通過一次測試就可得出推進劑在全部壓強下的燃速，相比於其他需要通過多次實驗測試才能得到一定壓強範圍內燃速的測試方法(如靶線法、聲發射法等)，密閉爆發器大大地提高了試驗效率，操作簡單，具有很大的實用性。但是由於密閉爆發器試驗需要對實驗數據進行複雜的處理，而測試方法基於火藥燃燒理論，需經過一系列的假設和簡化，因而帶來了一定的誤差。此外，目前普遍使用經驗公式修正密閉爆發器試驗的熱散失，不考慮推進劑燃燒階段壓力和輻射傳熱的變化對熱散失過程的影響，較少考慮燃氣與密閉爆發器內壁面的傳熱以及熱散失對密閉爆發器內推進劑火焰溫度的影響。文獻《密閉燃燒器法測高壓下推進劑燃速研究》中提出雖然密閉燃燒器工作時間很短，但是因為散熱損失而造成的壓力損失非常大，低壓下甚至達到30％。而且通過大量實驗對比，平均熱損失修正方法、反推式熱損失修正方法、傳熱計算熱損失修正方法等散熱損失修正均不是很精確，誤差較大。因而基於散熱損失計算的燃速結果與實際存在較大的差異。專利「一種發射藥動態燃速測試裝置」(CN104048563B)中，對利用密閉爆發器測定固體推進劑燃速的方法進行了詳細的介紹，但是並未將燃溫作為輸入參數進行燃速的計算。
因此，從目前檢索的技術資料中，尚未見有關把密閉條件下推進劑的燃溫作為輸入參數求導燃速的公開報導。
技術實現要素：
針對上述現有技術存在的問題，本發明提出一種用於固體推進劑燃速/燃溫的測試裝置及其測試方法，能夠避免由密閉燃燒器熱散失修正帶來的誤差，可為推進劑的研製和固體推進式滅火裝置裝藥設計提供較可靠的輸入數據。
為了實現上述目的，本發明採用的一種用於固體推進劑燃速/燃溫的測試裝置，包括定容燃燒器本體、設置在定容燃燒器本體兩端的堵頭一和堵頭二、設置在堵頭一上的點火電極和洩壓閥、及設置在堵頭二上的溫度傳感器和壓力傳感器；
所述定容燃燒器本體為圓柱形腔室結構，定容燃燒器本體的一端通過螺紋連接堵頭一，另一端通過螺紋連接堵頭二，定容燃燒器本體內設有夾持裝置，所述夾持裝置內固定有推進劑藥柱，所述定容燃燒器本體外側還設有數據採集處理單元，所述數據採集處理單元分別與所述壓力傳感器、溫度傳感器連接。
作為改進，所述點火電極通過螺紋連接在堵頭一上，所述洩壓閥通過螺紋連接在堵頭一上。
作為改進，所述點火電極與堵頭一間設有絕緣套，所述絕緣套包裹在點火電極外表面。
作為改進，所述堵頭一、堵頭二與定容燃燒器本體間分別設有密封環。
作為改進，所述堵頭二的內壁上通過螺紋連接有所述壓力傳感器，堵頭二上開有一通孔，所述通孔內連接有所述溫度傳感器；
所述壓力傳感器用於測量推進劑藥柱燃燒時，定容燃燒器內產生的壓力，所述溫度傳感器用於測量推進劑燃燒時的火焰溫度。
作為改進，所述數據採集處理單元分別通過電纜與所述壓力傳感器、溫度傳感器連接；
所述數據採集處理單元用於採集壓力傳感器、溫度傳感器測量的壓力、溫度參數。
作為改進，所述夾持裝置設置在定容燃燒器本體內部中間位置，所述夾持裝置的底部設有支架，外側設有用於防止推進劑藥柱傾倒的柵欄。
另外，本發明還提供了一種採用上述任一項所述用於固體推進劑燃速/燃溫測試裝置的測試方法，包括以下步驟：
1)使用PMMA丙酮溶液對推進劑藥柱的側面進行包覆，乾燥後塗一層薄環氧樹脂，測量推進劑藥柱的幾何尺寸參數，再將推進劑藥柱放置在夾持裝置內；
2)將點火電極、洩壓閥分別與堵頭一連接，然後將壓力傳感器、溫度傳感器分別與堵頭二連接，再將堵頭一、堵頭二與定容燃燒器本體密封安裝，並確保洩壓閥處於關閉狀態；
3)啟動點火電極引燃推進劑藥柱，推進劑燃燒產生大量氣體，定容燃燒器中腔體內部壓力上升，觸發壓力傳感器採集壓力信號，溫度傳感器採集推進劑火焰溫度信號；
4)推進劑燃燒完畢，試驗結束，5-8分鐘後，打開洩壓閥，排出定容燃燒器內部的氣體產物，卸下堵頭一，清除燃燒器內部殘留的固體殘渣；
5)數據處理；
a)分別讀取推進劑燃燒過程中定容燃燒器的壓強-時間和溫度-時間數據曲線；
b)定容燃燒器的壓強、推進劑的火焰溫度、推進劑的藥柱密度滿足以下關係式：
<![CDATA[ m g = P V - m R T + R Q c v + m R T c v c v c p c v RT f - P ρ P - - - ( 1 ) ]]>
Sw＝2π(r-w)2+2π(r-w)(h-2w) (2)
<![CDATA[ r ( p ) = m g ρ P S w - - - ( 3 ) ]]>
w(t)＝∫r(p)dt (4)
式中：為氣體質量生成速率，P為壓強，V為定容燃燒器的容積，r(p)為推進劑的燃速，Tf為推進劑火焰溫度，cp為定壓熱容，cv為定容熱容，R為理想氣體常數，ρp為推進劑藥柱的密度，w為推進劑的已燃肉厚；
利用數值計算方法，結合實驗數據獲得的壓強-時間曲線，通過公式(1)-(4)求解燃速-壓強曲線，即可完成數據處理。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1)採用本發明提供的固體推進劑燃速/燃溫的測試裝置及其測試方法，從計算公式(1)中可以看出，本發明的燃速與密閉燃燒器內的推進劑的燃溫Tf有關係，將推進劑的燃溫作為輸入參數，納入燃速計算中，消除了傳統的熱散失修正計算帶來的影響。因此，可有效解決傳統密閉燃燒器法在低壓下因熱損失比例大，而且難以準確估計導致的燃速測試不準的問題，本發明無需通過熱散失修正的方法對燃燒溫度進行修正，測量計算準確。
2)本發明通過一次試驗，即可獲得較寬壓力範圍內的燃速-壓強數據和燃溫數據，所得數據可用於評價固體推進式滅火裝置內推進劑的燃燒性能，判斷所測配方是否滿足低燃溫、高燃速的要求。數據可靠，計算方便。
附圖說明
圖1為本發明固體推進劑燃速/燃溫的測試裝置結構示意圖；
圖2為本發明中夾持裝置的結構示意圖；
圖3為本發明中固體推進劑藥柱的結構示意圖；
圖4為本發明的壓強-時間曲線；
圖5為為本發明的燃速-壓強曲線；
圖中：1、定容燃燒器本體，2、堵頭一，3、堵頭二，4、密封環，5、點火電極，6、絕緣套，7、洩壓閥，8、壓力傳感器，9、溫度傳感器，10、夾持裝置，11、柵欄，12、推進劑藥柱，13、數據採集處理單元。
具體實施方式
下述實施例是對於本發明內容的進一步說明以作為對本發明技術內容的闡釋，但本發明的實質內容並不僅限於下述實施例所述，本領域的普通技術人員可以且應當知曉任何基於本發明實質精神的簡單變化或替換均應屬於本發明所要求的保護範圍。
如圖1、圖2所示，一種用於固體推進劑燃速/燃溫的測試裝置，包括定容燃燒器本體1、設置在定容燃燒器本體1兩端的堵頭一2和堵頭二3、設置在堵頭一2上的點火電極5和洩壓閥7、及設置在堵頭二3上的溫度傳感器9和壓力傳感器8；
所述定容燃燒器本體1為圓柱形腔室結構，採用超高壓高強度鋼加工製造，容積為70ml，最高承壓100MPa，定容燃燒器本體1的一端通過螺紋連接堵頭一2，另一端通過螺紋連接堵頭二3，其中，優選的採用梯形螺紋連接，定容燃燒器本體1內設有夾持裝置10，所述夾持裝置10內固定有推進劑藥柱12，所述定容燃燒器本體1外側還設有數據採集處理單元13，所述數據採集處理單元13分別與所述壓力傳感器8、溫度傳感器9連接。
作為實施例的改進，所述點火電極5通過螺紋連接在堵頭一2上，所述洩壓閥7通過螺紋連接在堵頭一2上。連接方便，拆卸簡單，通過洩壓閥7用於試驗後的廢氣排放。
作為實施例的改進，所述點火電極5與堵頭一2間設有絕緣套6，所述絕緣套6包裹在點火電極5外表面。點火電極5採用橋絲式鎳鉻合金絲點火，引火頭、橋絲採用鎳鉻合金，直逕取0.05mm，點火器的點火電流為8A。
作為實施例的改進，所述堵頭一2、堵頭二3與定容燃燒器本體1間分別設有密封環4，利於拆卸、清洗與承壓。
作為實施例的改進，所述堵頭二3的內壁上通過螺紋連接有所述壓力傳感器8，堵頭二3上開有一通孔，所述通孔內連接有所述溫度傳感器9；
所述壓力傳感器8用於測量推進劑藥柱12燃燒時，定容燃燒器內產生的壓力，所述溫度傳感器9用於測量推進劑燃燒時的火焰溫度。壓力傳感器8為CY400高頻壓力，壓阻式量程20MPa，自振頻率大於400kHz。由於燃燒器內推進劑燃燒存在強瞬態性的特徵，內壁溫度測量採用專門設計的封裝厚度極小(H＝0.298mm)的溫度傳感器9，且安裝時，溫度傳感器9的端部位於推進劑藥柱12的頂部，溫度傳感器9的熱電偶絲端部與封套為面接觸的形式，可滿足高動態性的採集特點。
作為實施例的改進，所述數據採集處理單元13分別通過電纜與所述壓力傳感器8、溫度傳感器9連接；
所述數據採集處理單元13用於採集壓力傳感器8、溫度傳感器9測量的壓力、溫度參數。該數據採集處理單元13採用TST6250高速數據記錄儀，數採系統採樣率20Msps。
作為實施例的改進，所述夾持裝置10設置在定容燃燒器本體1內部中間位置，所述夾持裝置10的底部設有支架，外側設有用於防止推進劑藥柱12傾倒的柵欄11。採用的底部支架與推進劑藥柱12的接觸面積小，使得推進劑藥柱12滿足回歸燃燒規律。
採用上述裝置進行測量時，具體包括以下步驟：
1)在該實施例中，使用PMMA丙酮溶液對推進劑藥柱12的側面進行包覆，乾燥後塗一層薄環氧樹脂；然後再測定處理後藥柱質量12.1g，高度17.2mm，直徑25.5mm，再將推進劑藥柱12放置在夾持裝置10內；
2)將點火電極5、洩壓閥7分別與堵頭一2連接，然後將壓力傳感器8、溫度傳感器9分別與堵頭二3連接，再將堵頭一2、堵頭二3與定容燃燒器本體1密封安裝，並確保洩壓閥7處於關閉狀態；
3)實驗前，啟動數據採集處理單元13，設置信號觸發方式為內觸發；
4)實驗時，啟動點火電極5引燃推進劑藥柱12，推進劑燃燒產生大量氣體，定容燃燒器中腔體內部壓力上升，觸發壓力傳感器8採集壓力信號，溫度傳感器9採集推進劑火焰溫度信號，數據採集處理單元13同步採集壓力信號和溫度信號，並根據採集到的壓力、溫度信號，數據採集處理單元13繪製出壓強-時間、溫度-時間數據曲線；
4)推進劑燃燒完畢，試驗結束，5-8分鐘後，打開洩壓閥7，排出定容燃燒器內部的氣體產物，卸下堵頭一2，清除燃燒器內部殘留的固體殘渣；
5)數據處理；
1)根據理想氣體狀態方程可得，
2)根據能量守恆定律可得，
<![CDATA[ ∂ ∂ t ( mc v T ) = m g c p T f - Q ]]>
3)結合上述兩個公式，可以得到下面的公式
<![CDATA[ m g = P V - m R T + R Q c v + m R T c v c v c p c v RT f - P ρ P ]]>
4)輸入以下參數：V-定容燃燒器的容積，r(p)-推進劑的燃速，Tf-推進劑火焰溫度，cp-定壓熱容，cv-定容熱容，R-理想氣體常數，ρp-推進劑藥柱的密度。是壓強變化率(壓強對時間的導數)、是熱量變化率，是氣體常數變化率，定容熱容變化率。
便可以通過「壓力-時間」數據得到「氣體質量生成速率-時間」數據。其中，為了避免不規則燃燒帶來的影響，壓力傳感器所得的「壓力-時間」數據的起始點按照如下進行選取：
起點選擇在已燃質量百分比為15％的點，終點選擇在(dp/dt)max處，即壓力對時間的導數最大值的點。
5)由於推進劑的燃燒遵循回歸燃燒規律，因此，已燃掉的推進劑藥柱表面積與已燃厚度存在以下關係：
Sw＝2π(r-w)2+2π(r-w)(h-2w)
6)已燃掉的推進劑藥柱表面積、已燃厚度與燃速又存在以下關係：
<![CDATA[ r ( p ) = m g ρ P S w ]]>
w(t)＝∫r(p)dt
7)結合上述兩式便可以通過「氣體質量生成速率-時間」關係，推導得出「燃速-時間」關係，進而得到「燃速-壓強」關係，從而完成實驗數據處理。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。