一种用于固体推进剂燃速/燃温的测试装置及其测试方法与流程

本发明涉及一种燃速/燃温的测试装置，具体涉及一种可在密闭条件下用于固体推进剂燃速/燃温的测试装置及其测试方法，属于固体推进剂燃烧性能测试领域。

背景技术：

固体推进式灭火技术作为一种哈龙替代灭火技术，是一种以固态反应物作为推进剂，通过有控制的快速反应，瞬间产生大量惰性气体产物(如氮气、水蒸气及CO₂等)来驱动灭火介质释放，达到扑灭火灾效果的一套灭火装置。该技术凭借着响应速度快、占用空间小、可常压保存、可产生丰富的惰性介质，并且可在100ms内释放灭火介质等特性在飞行器材内狭小空间灭火领域取得了广泛应用。然而，作为固体推进式灭火装置驱动源的固体推进剂一直存在着产物温度过高、燃烧速率不稳定等缺点，抑制灭火效果，成为了制约其发展的严重障碍。

首先，固体推进剂产生的惰性灭火介质存在出口温度高的缺点，导致在灭火装置喷口形成外喷火焰，可能引燃未燃的可燃物，会对被保护空间形成二次危害。因此，如何采取措施有效测量待测推进剂的燃温成为一项重要工作。

其次，固体推进剂的燃速是一项评估推进剂性能的重要指标。燃速过快可能导致固体推进剂在灭火装置的反应器内燃烧不受控，甚至达到爆燃，给被保护空间的人员和设备的使用带来危险；燃速过低又会使得推进剂的产气速率大大降低，减缓灭火剂的喷射，削弱灭火效能。

因此，如何有效获得推进剂的燃温、燃速及燃速压力指数这三项参数在推进剂介质性能评估中显得非常重要。

密闭爆发器测试推进剂燃速法是测试燃速的常规方法，其优势在于通过一次测试就可得出推进剂在全部压强下的燃速，相比于其他需要通过多次实验测试才能得到一定压强范围内燃速的测试方法(如靶线法、声发射法等)，密闭爆发器大大地提高了试验效率，操作简单，具有很大的实用性。但是由于密闭爆发器试验需要对实验数据进行复杂的处理，而测试方法基于火药燃烧理论，需经过一系列的假设和简化，因而带来了一定的误差。此外，目前普遍使用经验公式修正密闭爆发器试验的热散失，不考虑推进剂燃烧阶段压力和辐射传热的变化对热散失过程的影响，较少考虑燃气与密闭爆发器内壁面的传热以及热散失对密闭爆发器内推进剂火焰温度的影响。文献《密闭燃烧器法测高压下推进剂燃速研究》中提出虽然密闭燃烧器工作时间很短，但是因为散热损失而造成的压力损失非常大，低压下甚至达到30％。而且通过大量实验对比，平均热损失修正方法、反推式热损失修正方法、传热计算热损失修正方法等散热损失修正均不是很精确，误差较大。因而基于散热损失计算的燃速结果与实际存在较大的差异。专利“一种发射药动态燃速测试装置”(CN104048563B)中，对利用密闭爆发器测定固体推进剂燃速的方法进行了详细的介绍，但是并未将燃温作为输入参数进行燃速的计算。

因此，从目前检索的技术资料中，尚未见有关把密闭条件下推进剂的燃温作为输入参数求导燃速的公开报道。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种用于固体推进剂燃速/燃温的测试装置及其测试方法，能够避免由密闭燃烧器热散失修正带来的误差，可为推进剂的研制和固体推进式灭火装置装药设计提供较可靠的输入数据。

为了实现上述目的，本发明采用的一种用于固体推进剂燃速/燃温的测试装置，包括定容燃烧器本体、设置在定容燃烧器本体两端的堵头一和堵头二、设置在堵头一上的点火电极和泄压阀、及设置在堵头二上的温度传感器和压力传感器；

所述定容燃烧器本体为圆柱形腔室结构，定容燃烧器本体的一端通过螺纹连接堵头一，另一端通过螺纹连接堵头二，定容燃烧器本体内设有夹持装置，所述夹持装置内固定有推进剂药柱，所述定容燃烧器本体外侧还设有数据采集处理单元，所述数据采集处理单元分别与所述压力传感器、温度传感器连接。

作为改进，所述点火电极通过螺纹连接在堵头一上，所述泄压阀通过螺纹连接在堵头一上。

作为改进，所述点火电极与堵头一间设有绝缘套，所述绝缘套包裹在点火电极外表面。

作为改进，所述堵头一、堵头二与定容燃烧器本体间分别设有密封环。

作为改进，所述堵头二的内壁上通过螺纹连接有所述压力传感器，堵头二上开有一通孔，所述通孔内连接有所述温度传感器；

所述压力传感器用于测量推进剂药柱燃烧时，定容燃烧器内产生的压力，所述温度传感器用于测量推进剂燃烧时的火焰温度。

作为改进，所述数据采集处理单元分别通过电缆与所述压力传感器、温度传感器连接；

所述数据采集处理单元用于采集压力传感器、温度传感器测量的压力、温度参数。

作为改进，所述夹持装置设置在定容燃烧器本体内部中间位置，所述夹持装置的底部设有支架，外侧设有用于防止推进剂药柱倾倒的栅栏。

另外，本发明还提供了一种采用上述任一项所述用于固体推进剂燃速/燃温测试装置的测试方法，包括以下步骤：

1)使用PMMA丙酮溶液对推进剂药柱的侧面进行包覆，干燥后涂一层薄环氧树脂，测量推进剂药柱的几何尺寸参数，再将推进剂药柱放置在夹持装置内；

2)将点火电极、泄压阀分别与堵头一连接，然后将压力传感器、温度传感器分别与堵头二连接，再将堵头一、堵头二与定容燃烧器本体密封安装，并确保泄压阀处于关闭状态；

3)启动点火电极引燃推进剂药柱，推进剂燃烧产生大量气体，定容燃烧器中腔体内部压力上升，触发压力传感器采集压力信号，温度传感器采集推进剂火焰温度信号；

4)推进剂燃烧完毕，试验结束，5-8分钟后，打开泄压阀，排出定容燃烧器内部的气体产物，卸下堵头一，清除燃烧器内部残留的固体残渣；

5)数据处理；

a)分别读取推进剂燃烧过程中定容燃烧器的压强-时间和温度-时间数据曲线；

b)定容燃烧器的压强、推进剂的火焰温度、推进剂的药柱密度满足以下关系式：

$\stackrel{\·}{m_g}=\frac{\stackrel{\·}{PV}-m\stackrel{\·}{R}T+\frac{R\stackrel{\·}{Q}}{c_v}+mRT\frac{\stackrel{\·}{c_v}}{c_v}}{\frac{c_p}{c_v}{\mathrm{RT}}_f-\frac{P}{{\mathrm{\ρ}}_P}}---\left(1\right)$

S_w＝2π(r-w)²+2π(r-w)(h-2w) (2)

$r\left(p\right)=\frac{\stackrel{\·}{m_g}}{{\mathrm{\ρ}}_P{S}_w}---\left(3\right)$

w(t)＝∫r(p)dt (4)

式中：为气体质量生成速率，P为压强，V为定容燃烧器的容积，r(p)为推进剂的燃速，T_f为推进剂火焰温度，c_p为定压热容，c_v为定容热容，R为理想气体常数，ρ_p为推进剂药柱的密度，w为推进剂的已燃肉厚；

利用数值计算方法，结合实验数据获得的压强-时间曲线，通过公式(1)-(4)求解燃速-压强曲线，即可完成数据处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用本发明提供的固体推进剂燃速/燃温的测试装置及其测试方法，从计算公式(1)中可以看出，本发明的燃速与密闭燃烧器内的推进剂的燃温Tf有关系，将推进剂的燃温作为输入参数，纳入燃速计算中，消除了传统的热散失修正计算带来的影响。因此，可有效解决传统密闭燃烧器法在低压下因热损失比例大，而且难以准确估计导致的燃速测试不准的问题，本发明无需通过热散失修正的方法对燃烧温度进行修正，测量计算准确。

2)本发明通过一次试验，即可获得较宽压力范围内的燃速-压强数据和燃温数据，所得数据可用于评价固体推进式灭火装置内推进剂的燃烧性能，判断所测配方是否满足低燃温、高燃速的要求。数据可靠，计算方便。

附图说明

图1为本发明固体推进剂燃速/燃温的测试装置结构示意图；

图2为本发明中夹持装置的结构示意图；

图3为本发明中固体推进剂药柱的结构示意图；

图4为本发明的压强-时间曲线；

图5为为本发明的燃速-压强曲线；

图中：1、定容燃烧器本体，2、堵头一，3、堵头二，4、密封环，5、点火电极，6、绝缘套，7、泄压阀，8、压力传感器，9、温度传感器，10、夹持装置，11、栅栏，12、推进剂药柱，13、数据采集处理单元。

具体实施方式

下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。

如图1、图2所示，一种用于固体推进剂燃速/燃温的测试装置，包括定容燃烧器本体1、设置在定容燃烧器本体1两端的堵头一2和堵头二3、设置在堵头一2上的点火电极5和泄压阀7、及设置在堵头二3上的温度传感器9和压力传感器8；

所述定容燃烧器本体1为圆柱形腔室结构，采用超高压高强度钢加工制造，容积为70ml，最高承压100MPa，定容燃烧器本体1的一端通过螺纹连接堵头一2，另一端通过螺纹连接堵头二3，其中，优选的采用梯形螺纹连接，定容燃烧器本体1内设有夹持装置10，所述夹持装置10内固定有推进剂药柱12，所述定容燃烧器本体1外侧还设有数据采集处理单元13，所述数据采集处理单元13分别与所述压力传感器8、温度传感器9连接。

作为实施例的改进，所述点火电极5通过螺纹连接在堵头一2上，所述泄压阀7通过螺纹连接在堵头一2上。连接方便，拆卸简单，通过泄压阀7用于试验后的废气排放。

作为实施例的改进，所述点火电极5与堵头一2间设有绝缘套6，所述绝缘套6包裹在点火电极5外表面。点火电极5采用桥丝式镍铬合金丝点火，引火头、桥丝采用镍铬合金，直径取0.05mm，点火器的点火电流为8A。

作为实施例的改进，所述堵头一2、堵头二3与定容燃烧器本体1间分别设有密封环4，利于拆卸、清洗与承压。

作为实施例的改进，所述堵头二3的内壁上通过螺纹连接有所述压力传感器8，堵头二3上开有一通孔，所述通孔内连接有所述温度传感器9；

所述压力传感器8用于测量推进剂药柱12燃烧时，定容燃烧器内产生的压力，所述温度传感器9用于测量推进剂燃烧时的火焰温度。压力传感器8为CY400高频压力，压阻式量程20MPa，自振频率大于400kHz。由于燃烧器内推进剂燃烧存在强瞬态性的特征，内壁温度测量采用专门设计的封装厚度极小(H＝0.298mm)的温度传感器9，且安装时，温度传感器9的端部位于推进剂药柱12的顶部，温度传感器9的热电偶丝端部与封套为面接触的形式，可满足高动态性的采集特点。

作为实施例的改进，所述数据采集处理单元13分别通过电缆与所述压力传感器8、温度传感器9连接；

所述数据采集处理单元13用于采集压力传感器8、温度传感器9测量的压力、温度参数。该数据采集处理单元13采用TST6250高速数据记录仪，数采系统采样率20Msps。

作为实施例的改进，所述夹持装置10设置在定容燃烧器本体1内部中间位置，所述夹持装置10的底部设有支架，外侧设有用于防止推进剂药柱12倾倒的栅栏11。采用的底部支架与推进剂药柱12的接触面积小，使得推进剂药柱12满足回归燃烧规律。

采用上述装置进行测量时，具体包括以下步骤：

1)在该实施例中，使用PMMA丙酮溶液对推进剂药柱12的侧面进行包覆，干燥后涂一层薄环氧树脂；然后再测定处理后药柱质量12.1g，高度17.2mm，直径25.5mm，再将推进剂药柱12放置在夹持装置10内；

2)将点火电极5、泄压阀7分别与堵头一2连接，然后将压力传感器8、温度传感器9分别与堵头二3连接，再将堵头一2、堵头二3与定容燃烧器本体1密封安装，并确保泄压阀7处于关闭状态；

3)实验前，启动数据采集处理单元13，设置信号触发方式为内触发；

4)实验时，启动点火电极5引燃推进剂药柱12，推进剂燃烧产生大量气体，定容燃烧器中腔体内部压力上升，触发压力传感器8采集压力信号，温度传感器9采集推进剂火焰温度信号，数据采集处理单元13同步采集压力信号和温度信号，并根据采集到的压力、温度信号，数据采集处理单元13绘制出压强-时间、温度-时间数据曲线；

4)推进剂燃烧完毕，试验结束，5-8分钟后，打开泄压阀7，排出定容燃烧器内部的气体产物，卸下堵头一2，清除燃烧器内部残留的固体残渣；

5)数据处理；

1)根据理想气体状态方程可得，

$\frac{\∂}{\∂t}\left(PV\right)=\frac{\∂}{\∂t}\left(mRT\right)$

2)根据能量守恒定律可得，

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{mc}}_{v}T\right)=\stackrel{\·}{m_g}{c}_p{T}_f-\stackrel{\·}{Q}$

3)结合上述两个公式，可以得到下面的公式

$\stackrel{\·}{m_g}=\frac{\stackrel{\·}{PV}-m\stackrel{\·}{R}T+\frac{R\stackrel{\·}{Q}}{c_v}+mRT\frac{\stackrel{\·}{c_v}}{c_v}}{\frac{c_p}{c_v}{\mathrm{RT}}_f-\frac{P}{{\mathrm{\ρ}}_P}}$

4)输入以下参数：V-定容燃烧器的容积，r(p)-推进剂的燃速，T_f-推进剂火焰温度，c_p-定压热容，c_v-定容热容，R-理想气体常数，ρ_p-推进剂药柱的密度。是压强变化率(压强对时间的导数)、是热量变化率，是气体常数变化率，定容热容变化率。

便可以通过“压力-时间”数据得到“气体质量生成速率-时间”数据。其中，为了避免不规则燃烧带来的影响，压力传感器所得的“压力-时间”数据的起始点按照如下进行选取：

起点选择在已燃质量百分比为15％的点，终点选择在(dp/dt)_max处，即压力对时间的导数最大值的点。

5)由于推进剂的燃烧遵循回归燃烧规律，因此，已燃掉的推进剂药柱表面积与已燃厚度存在以下关系：

S_w＝2π(r-w)²+2π(r-w)(h-2w)

6)已燃掉的推进剂药柱表面积、已燃厚度与燃速又存在以下关系：

$r\left(p\right)=\frac{\stackrel{\·}{m_g}}{{\mathrm{\ρ}}_P{S}_w}$

w(t)＝∫r(p)dt

7)结合上述两式便可以通过“气体质量生成速率-时间”关系，推导得出“燃速-时间”关系，进而得到“燃速-压强”关系，从而完成实验数据处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。