一种基于燃面标识的固体推进剂燃速辨识方法与流程

本发明属于航空宇航推进技术研究范畴，涉及一种基于燃面标识的固体推进剂燃速辨识方法。

背景技术：

固体推进剂的燃速是固体火箭发动机设计和性能分析的重要参数，也是推进剂配方设计和生产工艺中需要严格控制的主要指标之一。燃速的测量对整个发动机的设计改进有着重要指导作用。通常所说的燃速指线性燃速，即单位时间内沿火药燃烧表面的法线方向上固相消失的距离，用(单位时间内燃去的肉厚)表示，业内常用的燃速经验公式为r＝apⁿ(a,n为根据试验测得的常数，p为燃烧室压强)。目前国内外常用的燃速测量方法主要有以下几种：

(1)靶线法和水下声发射法是当下最常用的燃速测定方法，两者都是通过测定在初温和压强不变条件下固定长度的固体推进剂药条的燃烧时间，求出的是药条在整个燃烧时间内的平均燃速。这两种方法提供了简单，快捷的燃速测量思路，且近年来针对两种方法的不足提出了很多改进方案，但依然无法从根本上改变静态平均燃速测定的机制，而静态燃速测量方法无法做到真实的模拟固体推进剂在工作环境中的燃烧过程，从而无法做到精确可信，已经无法满足生产，科研需求。

(2)刘科祥，裴庆等提出了一种在靶线法基础上改进的自升压式多靶线动态燃速测试方法，原理为通过测试燃烧室内内部气体的压强变化量得出式样长度的变化函数：(l是药条长度，t为时间，t为燃气温度，p为燃烧室压强，k1,k2,k3为待定常数)，通过测试6条靶线烧断的瞬时压强和温度分段确定k1,k2,k3，然后对压强温度信号进行修正从而得出燃速随时间变化的函数。该方法实现了在一定温度和压强范围内燃速的实时连续测试，进而计算燃速压强指数和燃速温度敏感系数，动态的得到了燃速公式，与传统方法相比具有快速高效的特点，但其测量误差和测试压强范围有限的问题仍有待解决。

(3)美国的osborn，burick等人在上世纪六十年代提出的超声燃速测量方法是利用超声探头通过向固体推进剂药柱内部发射超声波并接受燃面回波来测量燃速，这种方法在国外应用比较普遍，国内还处于起步阶段。其主要优点为设备简单轻便，可以测量三维药柱燃面上某点的燃速，但是会受到壳体强度的限制和声速变化的影响且技术难度较大，国内在该领域仍处于探索性阶段，离成熟运用还有很大距离。

(4)发动机法是通过试车试验让推进剂保持恒面燃烧，即在基本不变的压强和燃速下工作，然后用燃烧肉厚与燃烧时间之比确定在这一工作压强下的燃速。由单次发动机试验获得该工作压强下的燃速，通过一系列发动机在不同压强下的试验来获得推进剂的燃速关系式。它能够模拟固体推进剂在固体发动机中的实际装药形式进行燃烧性能测试，故可以得到接近实际工作条件下的测试结果。但其缺陷也很明显，一是耗费成本高且工作量大，需要数次试验才能得出结果，二是一次试验得到的内弹道信息没有得到充分利用，造成了数据浪费。

综上看来，目前国内外常用的燃速测量方法中，静态燃速测量方法存在着精度低，无法满足需求的问题，而其他动态测量方法在耗费成本，测试效率，技术难度上都存在着较大的不足。传统的发动机法很难定量确定药柱燃烧过程中的燃面变化情况等导致的测量精度不够，发动机法单次试验数据利用率低引起的耗时耗材，国内尚未完全掌握的超声速法技术难度大等问题)。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于燃面标识的固体推进剂燃速辨识方法，解决当前固体推进剂燃速测定方法的不足(靶线法无法真实模拟出发动机工作过程中推进剂所处的实际环境问题。

技术方案

一种基于燃面标识的固体推进剂燃速辨识方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、药型的设计：所设计的药型为管型装药，内孔直径沿轴线分成三段，中间段内孔直径最小，两侧段内孔直径大于中间段，两侧内孔满足以下条件：①一侧孔深大于另一侧孔深，且两孔深度均要大于各自内孔段药柱内壁到外壁距离；②较深孔直径小于较浅孔的直径；③两侧内孔段燃烧肉厚差与较浅孔和中间内孔段燃烧肉厚差相等；

步骤2、燃面标识：将按照步骤1的设计制作好的药型装入试验发动机进行点火，得到压强-时间曲线；药柱在燃烧过程中，肉厚不同的三段装药分别在不同的时间点燃尽，每段燃尽的时间点为一个燃面标识的特征点；三个特征点反应在压强-时间曲线上为三个明显的转折点a,b,c,d；所述a点为压强骤降前一瞬间的时间和压强；所述b点为大直径孔段装药部分即将燃尽的时间和压强；所述c点为初始内孔段装药部分即将燃尽的时间和压强；所述d点为小直径孔段装药部分即将燃尽的时间和压强；

步骤3、燃速辨识：利用试验得到的压强-时间曲线结合发动机平衡压强公式求得四个特征点处的瞬时燃速，每相邻两个特征点能够辨识出所在压强区间的燃速，从而得到ab,bc,cd三段不同压强范围内的燃速公式，求解过程如下：

其中：pc为工作压强，c^*为特征速度，ρ为推进剂药柱密度，r为燃速，ab为燃面面积，at为喷管喉部面积，a,n为燃速公式中欲辨识参数。

所述中间段内孔直径为14-17mm。

有益效果

本发明提出的一种基于燃面标识的固体推进剂燃速辨识方法，首先设计一个三段直径不同的药型，然后进行燃烧试验；根据记录的压强-时间曲线上三段不同肉厚装药即将燃尽的时刻和压强，以及剩余形状即明确了当前的燃面面积；利用试验得到的压强-时间曲线结合发动机平衡压强公式等方法便能求得四个特征点处的瞬时燃速，得到ab,bc,cd三段不同压强范围内的燃速公式，进行燃速辨识。

优越性：

1、本发明提出通过阶梯状变肉厚减面燃烧的药型进行试验测量燃速，且完成了通过一次试验得到三段曲线从而辨识得到三个燃速，实现了效率的提高，成本的降低。

2、本发明提出了通过对燃面进行标识结合试验压强-时间曲线来求得燃速，方法简单易解。

3、本发明适用性较广，在该药型基础上改变药柱和喷管的尺寸参数即可实现不同试验压强下的燃速测量。

附图说明

图1：基于燃面标识的燃速测量方法流程图

图2：设计实施例药型三维视图与二维剖面图

图3：改变药柱长度实现压强范围的调整示意

图4：设计实施例药型的压强-时间曲线趋势图

图5：设计实施例药型燃烧后b,c,d三个特征点处的药柱剩余形状

图6：本发明方法计算曲线相比原始方法与试验对比图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

基于传统发动机法，设计一种新型药型进行地面试车试验，得到压强-时间曲线，根据曲线选取特征点进行燃面标识，利用基本公式即可解出分段压强内的燃速并得到燃速表达式，流程如图1。

具体说明如下：

(1)药型的设计

传统发动机法所用药柱一般为全表面燃烧管型装药，这种药型燃烧过程中无法确定某时间点下的燃面，在此提出药型的改进方案。本发明所设计药型同样是管型装药，但不同的是，药的内孔直径不是单一尺寸，而是沿轴线分成三段，中间段内孔直径最小(设计直径一般在14-17mm)，两侧段内孔直径均比中间段大，这样药柱就形成了台阶状的三段不同的燃烧肉厚，且要满足以下条件：①一侧孔深要略大于另一侧孔深，且两孔深度均要略大于各自内孔段的燃烧肉厚(该段药柱内壁到外壁距离)②较深孔直径小于较浅孔③两侧内孔段燃烧肉厚差与较浅孔和中间内孔段燃烧肉厚差近似相等。药型总体的尺寸参数根据实际要求(欲要测量的压强范围，实际发动机尺寸和喷管喉部半径)来具体设计。

图2为实施例的实际尺寸(图中尺寸均为mm)，总长为170，外径为54；中间段内孔直径最小，为14；一侧内孔直径为34，深度即长度为20；另一侧内孔直径为24，深度即长度为25。

所示药型尺寸为例加以说明，在此基础上进行调整并通过内弹道计算验证可以满足任意压强范围的需求(主要是对药的长度和直径进行改变，两端孔的深度和直径进行同比例调整即可)，如图3所示。

(2)燃面标识

药柱在燃烧过程中，肉厚不同的三段装药分别在不同的时间点燃尽，每段燃尽的时间点即为一个燃面标识的特征点。反应在压强-时间曲线上就会出现三个明显的转折点b,c,d。(如图4)。该药柱的形状特点决定了在三段不同肉厚部分装药即将燃尽的时刻，药柱会分别呈现出可预先计算得到的剩余形状(如图5)，而明确了药柱的剩余形状即明确了当前的燃面面积，基于对特征点a,b,c,d四处燃面的标识(此处需要注意的问题是，所取的特征点是指压强骤降前一瞬间的时间点，也就是说即将燃尽的肉厚部分还并未完全消失，此时还剩一处薄筒状余药，所要标识的燃面面积不可忽略这一薄片处的面积)，即可进一步求解出燃速。

(3)燃速辨识

利用试验得到的压强-时间曲线结合发动机平衡压强公式等方法便能求得四个特征点处的瞬时燃速，每相邻两个特征点可以辨识出所在压强区间的燃速，从而得到ab,bc,cd三段不同压强范围内的燃速公式，求解过程如下：

公式说明：pc为工作压强，c^*为特征速度，ρ为推进剂药柱密度，r为燃速，ab为燃面面积，at为喷管喉部面积，a,n为燃速公式中欲辨识参数。

辨识结果如图6所示，可以看出，相比利用推进剂出厂数据计算得到的结果，该方法得到的结果能够做到与试验结果曲线能更好的贴合，后续还可以进行算法的优化得到更精确的燃速。利用以上方法实现了通过一次试验对三段不同压强范围的燃速进行测定，相比起传统的发动机法所用的等燃面药型效率得到大大提高。