冲量法固体推进剂燃速测试原始实验数据有效性判定方法与流程

1.本发明属于火箭发动机技术领域，具体涉及一种实验数据有效性判定方法。


背景技术：

2.固体推进剂的燃速是火箭发动机设计的一项基本参数，也是预测发动机弹道性能的重要参数。燃速的定义是单位时间内推进剂装药燃烧表面沿其法线方向退移的距离，简称固体推进剂的燃速。它不仅直接决定着固体推进剂能量的释放速率，也是计算固体推进剂其它燃烧性能，如燃速系数、燃速压强指数、燃速温度敏感系数、侵蚀比等核心参量。
3.2019年3月的《火炸药学报》论文《冲量法测试固体推进剂高压动态燃速及压强指数》和2020年6月的《火炸药学报》论文《基于固体火箭发动机工作原理的质量流率法燃速测试研究》提出过在发动机试验中利用一定构型的增面燃烧药柱，通过一次实验测得的推力
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时间曲线和压强
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时间曲线计算出不同压强跨度下的燃速。在上述两论文中介绍冲量法和质量流率法燃速测试的实验原理，两种燃速测试均要求推进剂燃烧时的初始燃面为药柱裸露的内表面，且燃面按照平行层退移。有以下两种情况，
①
初始燃面点火不同步时，初始燃面就不是管状药柱的内表面；
②
若存在侵蚀燃烧，则推进剂燃面不按平行层退移。但是如何判定点火同步和是否存在侵蚀燃烧在以上两篇论文中并没有提及。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种冲量法固体推进剂燃速测试原始实验数据有效性判定方法，首先记录固体推进剂的管状药柱的外形尺寸，然后将管状药柱的外表面和端面包覆，仅保留内表面作为初始燃面；再将管状药柱装填在固体火箭发动机的燃烧室中；固体火箭发动机点火，记录固体火箭发动机工作过程的燃烧压强和产生的推力，在同一张图上画出压强和推力时间曲线，分析压强和推力时间曲线，判断推力曲线的有效性，即判定点火同步和是否存在侵蚀燃烧。本发明为冲量法和质量流率法燃速测试技术的具体实现提供技术保障，保障了测试结果的一致性和有效性。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
6.步骤1：所述固体推进剂形状为管状药柱；记录管状药柱的外形尺寸，包括外径d、内径d和长度l，称量管状药柱的质量m；
7.步骤2：将管状药柱的外表面和端面包覆，仅保留内表面作为初始燃面；
8.步骤3：将管状药柱装填在固体火箭发动机的燃烧室中；
9.步骤4：固体火箭发动机点火，记录固体火箭发动机工作过程的燃烧压强p(t)和产生的推力f(t)，在同一张图上画出p(t)和f(t)曲线，t为时间；
10.步骤5：分析p(t)曲线和f(t)曲线，判断f(t)曲线的有效性；
11.步骤5
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1：若p(t)曲线和f(t)曲线均随时间持续递增，推力f(t)增至最大值fmax后，推力f(t)减小，且f(t)曲线从最大值fmax下降到70％fmax的时间小于等于80ms，则判断f(t)曲线有效，即固体推进剂在最大燃面处结束燃烧；
12.步骤5
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2：若p(t)曲线和f(t)曲线均随时间持续递增，推力f(t)增至最大值fmax后，f(t)曲线从最大值fmax到下降为70％fmax的时间大于80ms，则判断f(t)曲线无效，即固体推进剂最大燃面不是终了燃面，原因为推进剂裸露表面点火不同步或存在侵蚀燃烧。
13.优选地，所述推力f(t)的最大值fmax在1.5kn到2.5kn之间。
14.优选地，所述固体推进剂为增面燃烧，固体火箭发动机点火后为递增趋势，燃烧产生的推力最大值点对应固体推进剂烧完的时刻，最大值点之后f(t)曲线为拖尾段。
15.本发明的有益效果如下：
16.本发明从“推进剂裸露表面点火不同步”和“侵蚀燃烧”造成的结果为出发点，解决了“推进剂裸露表面点火不同步”和“侵蚀燃烧”无法判定的问题，为冲量法和质量流率法燃速测试技术的具体实现提供技术保障，保障了测试结果的一致性和有效性。
附图说明
17.图1为本发明方法所用固体火箭发动机结构示意图。
18.图2为本发明方法所用的燃烧压强和推力采集系统示意图。
19.图3为本发明方法所用药柱结构示意图。
20.图4为本发明实施例有效的压强p(t)和推力f(t)曲线示意图；
21.图5为本发明固体推进剂点火不一致性燃烧简化模型。
22.图6为本发明实施例典型的内孔燃烧装药侵蚀燃烧，其中，左图为内孔燃烧装药；右图为侵蚀燃烧造成的后喇叭口药柱内孔。
23.图7为本发明实施例典型的无效原始数据图。
24.图8为本发明实施例存在喷管烧蚀的有效原始数据图。
25.图9为本发明实施例双基3的试验原始曲线。
26.图10为本发明实施例相同推进剂的三次试验燃速测试结果对比图。
27.图中，1—推力传感器；2—压强传感器；3—点火器；4—燃烧室壳体；5—固体推进剂装药；6—喷管；7—喷管喉衬。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
29.在燃速测试中，“推进剂药柱初始燃面点火同步性一致，即推进剂未包覆表面被点火药瞬间全部点燃”和“推进剂为稳态燃烧，不考虑包括侵蚀燃烧在内的非正常燃烧”是燃速测试的前提条件。本发明分析“点火不同步”和“侵蚀燃烧”分别产生的实验现象，从“推进剂裸露表面点火不同步”和“侵蚀燃烧”造成的结果为出发点，解决了“推进剂裸露表面点火不同步”和“侵蚀燃烧”无法判定的问题。
30.一种冲量法固体推进剂燃速测试原始实验数据有效性判定方法，包括以下步骤：
31.步骤1：所述固体推进剂形状为管状药柱；记录管状药柱的外形尺寸，包括外径d、内径d和长度l，称量管状药柱的质量m；
32.步骤2：如图3所示，将管状药柱的外表面和端面包覆，仅保留内表面作为初始燃面；
33.步骤3：将管状药柱自由装填在固体火箭发动机的燃烧室中；如图1所示，固体火箭
发动机由点火器、燃烧室、固体推进剂装药和喷管组成；
34.步骤4：如图2所示，固体火箭发动机点火，记录固体火箭发动机工作过程的燃烧压强p(t)和产生的推力f(t)，在同一张图上画出p(t)和f(t)曲线，t为时间；如图4所示，由于固体推进剂为增面燃烧，固体火箭发动机点火后为递增趋势，燃烧产生的推力最大值点对应固体推进剂烧完的时刻，最大值点之后f(t)曲线为拖尾段；
35.步骤5：分析p(t)曲线和f(t)曲线，判断f(t)曲线的有效性；
36.步骤5
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1：如图4所示，p(t)曲线和f(t)曲线均随时间持续递增，或者如图8所示，燃烧压强p(t)增至最大值后没有快速降低，甚至有压强的平等段，但推力f(t)在整个燃烧段均持续递增，包括燃烧压强p(t)不变时，推力f(t)也在递增；若当推力f(t)增至最大值fmax后，推力f(t)快速降低，且f(t)曲线从最大值fmax下降到70％fmax的时间小于等于80ms，则判断f(t)曲线有效，即固体推进剂在最大燃面处结束燃烧；燃烧过程中的燃烧压强递增缓慢甚至不递增是由于喷管烧蚀引起的，但一直是增面燃烧，故推力f(t)全程递增，数据有效；
37.步骤5
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2：如图7所示，若p(t)曲线和f(t)曲线均随时间持续递增，增至最大值后没有快速降低，甚至有压强和推力恒定段，这是因为点火不同步或者存在侵蚀燃烧，最大燃面不是终了燃面。推力f(t)增至最大值fmax后，f(t)曲线从最大值fmax到下降为70％fmax的时间大于80ms，则判断f(t)曲线无效，即固体推进剂最大燃面不是终了燃面，原因为推进剂裸露表面点火不同步或存在侵蚀燃烧。
38.推进剂裸露表面点火不同步为靠近点火药包一侧的燃面先点燃，远离点火药包一侧的燃面稍后点燃，如图5所示，lx为先燃烧燃面的长度，θ为先燃烧燃面与后燃烧燃面之间的夹角。药柱型面为前端喇叭口，即裸露的初始燃面没有同步被点燃，。图6是典型的内孔燃烧装药侵蚀燃烧示意图，药柱的型面后端有喇叭口。这样，“推进剂裸露表面点火不同步”和“侵蚀燃烧”均会造成药柱的终了燃面不是最大燃面。
39.造成f(t)曲线出现下降变缓的原因是点火同步性较差，致使没有按照预期的燃面燃烧，也就是燃烧终止时刻应为最大燃面，并且全部燃烧完全，因为点火同步性不好，使得达到图中的最大推力fmax之后依然还有余药在燃烧，给了推力一定的补偿，导致推力曲线不是直接下降，而是缓慢的下降，因此原始数据就是无效的。
40.具体实施例：
41.采用本发明方法对不同固体推进剂的测试数据进行分析判断，挑选性能优良的固体推进剂。
42.1、将待测固体推进剂外形进行测量，由于所用推进剂形状为管状药柱，所以需记录药柱的内外径、长度以及喷管的直径，如表1，为不同推进剂尺寸参数。
43.表1三发双基推进剂尺寸参数
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2、将待测固体推进剂药柱按照要求对其外表面和端面包覆，只留内表面作为初始燃面。
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3、将按要求包覆后的固体推进剂自由装填在火箭发动机燃烧室中。连接好点火电路，确认电路连接无误后，启动点火按钮，同时观察与燃烧室相接的压力传感器所显示的燃烧室中压强的实时变化情况，以及与发动机相连的推力传感器所显示的推力变化情况。得到整个燃烧过程中的原始推力
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时间曲线和压强
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时间曲线，如图7、图8和图9分别对应的药柱尺寸为表1中的双基1、双基2和双基3。
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4、根据冲量法燃速计算方法得到3次试验的燃速结果见表2，响应的结果对比见图10。可以看出双基2和双基3燃速一致性好，而双基1由于原始数据无效，结果没有可比性。
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表2三次双基推进剂实验结果
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