专利名称：一种固体推进剂裂纹扩展试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于固体火箭发动机推进剂的试验装置，具体地说，涉及一种固体推进剂裂纹扩展试验装置。属于固体火箭发动机及其实验设备领域，适用于模拟固体火箭发动机点火后燃烧室内增压过程，观测研究固体推进剂裂纹扩展变化规律及其影响因素的试验。
背景技术：
固体火箭发动机推进剂在生产及点火过程中，由于受到各种应力，会产生裂纹。裂纹对固体推进剂的燃烧特性有重大影响，极端情况下有可能发生爆炸。目前，国内外科研人员对固体推进剂进行了大量有关裂纹燃烧和扩展机理、制约因素的试验研究，设计了多种裂纹模拟试验装置。现有公开的文献(ToddΕ. Earnest, RSRMTP-H1148Main Grain Propellant Crack Initiation Evaluation[R]. AIAA 2005-3601.)中介绍了在研究燃烧引起的裂纹扩展时， 采用的一套高速摄像系统，它包括模拟发动机燃烧室、数据获取系统和点火系统三大部分。 模拟发动机燃烧室是一端带透明有机玻璃窗口的圆柱形系统，数据获取系统包括压力测量系统和成像系统。该试验装置中不同的裂纹扩展自由体积对应各自的推进剂试件支撑盘， 要做对比实验必须更换支撑盘，这会对试验装置的气密性造成影响，并且操作复杂。在文献“固体推进剂裂纹燃烧时扩展条件的实验研究和理论分析[D].，，(海军航空工程学院硕士论文，1999.)、“固体推进剂裂纹燃烧与扩展的研究[D].，，(海军航空工程学院硕士论文，2000.)、“固体推进剂装药裂纹内燃烧流动的实验研究[J].，，(《推进技术》 2000,21(5) :58-60.)中介绍的大都采用X射线高速实时荧屏分析系统(RTR)作为裂纹扩展试验的测试系统。X射线高速实时荧屏分析系统(RTR)是一种研究不透明高压燃烧器或发动机内部复杂工作过程的非接触式实验设备，该系统由X射线发生器、实验发动机、高速录像系统、时间控制系统、数据采集系统、高速运动分析仪组成。它的主要工作原理是利用X 射线成像原理来摄取发动机内部的工作过程，同时利用压力传感器还可获取压力一时间曲线。该装置中采用沿X射线方向厚度均勻的矩形发动机以得到背景均勻的图像。但是，该实验装置只能进行推进剂燃烧条件下的裂纹扩展实验，不能进行冷气充压条件下的实验， 提供的实验数据不够充分，与发动机实际工作条件有一定的差距。
实用新型内容为了克服现有技术中实验结构操作复杂，裂纹扩展实验条件单一的不足，本实用新型提出一种固体推进剂裂纹扩展试验装置，该裂纹扩展试验装置通过更换倾斜角度不同的楔形块，实现裂纹扩展自由体积的多次调节；通入氮气实现冷气充压条件下裂纹扩展情况的测试；增加点火药包和点火药包导线，实现推进剂燃烧条件下裂纹扩展情况的测试； 该装置结构简单，操作安全可靠。本实用新型解决其技术问题，所采用的技术方案是裂纹扩展试验装置包括前法兰盘、后法兰盘、支撑盘、焊接嘴、观察窗、前密封圈、后密封圈、推进剂试件和楔形块组成。所述的支撑盘为空心扁圆柱形，前后贯通的空心内腔呈上下叠加的两个大小方框结构，支撑盘的顶部设置有两个与空心内腔相通的圆通孔，两个圆通孔呈V字形结构，两个圆通孔上安装有焊接嘴，两个焊接嘴各自与电磁阀和节流孔板相连接，支撑盘的前端面设有放置前密封圈的环形凹槽，扁圆柱形的观察窗安装固定在支撑盘与前法兰盘之间均为紧密配合；支撑盘空心内腔为模拟发动机燃烧室，推进剂试件放置在空心内腔，推进剂试件的两侧使用两块α角度相同的楔形块固定，通过使用不同α角的楔形块，调节推进剂试样与燃烧室壳体间自由体积的大小。所述的前法兰盘的前端设置有观察燃烧试件的窗口，后端设置有与观察窗外圆直径相同的凹槽，沿前法兰盘周向均布设置四个通孔。所述的后法兰盘与支撑盘相接的端面上设置有两层凸台，固定支撑盘和后密封圈，后法兰盘另一端面为平面，沿后法兰盘周向均布设置四个通孔。所述的楔形块截面呈上宽下窄，一面有倾斜度的梯形状，楔形块的厚度与推进剂试件的厚度相同，楔形块的倾斜度面与推进剂试件的侧面形成α角，楔形块α角为10°至 30° 。所述的前法兰盘和后法兰盘之间夹紧观察窗与支撑盘时使用螺栓连接，且与推进剂试件的中心在同一轴线上。前法兰盘、后法兰盘、支撑盘均为不锈钢材料制成，观察窗材料为石英玻璃。通过观察窗记录下裂纹扩展过程，推算出裂纹扩展的速度与时间的关系，本实用新型装置实现冷气充压条件下裂纹扩展情况测试的原理是在测试试验中，使模拟发动机燃烧室尽可能接近发动机燃烧室的真实情况。所采用的推进剂试件上预制一定长度的初始裂纹；通过控制气瓶压力、进气阀门和节流孔板的直径来控制由支撑盘及试件圆弧表面所形成的空腔内的升压速率及最大压力。试验时推进剂试件两侧及底面固定，高压气流进入空腔，空腔内的压力急剧上升，从而使试件上的初始裂纹扩展。本实用新型装置实现推进剂燃烧条件下裂纹扩展情况测试的原理是在测试试验中，使模拟发动机燃烧室尽可能接近发动机燃烧室的真实情况。在模拟燃烧室采用的推进剂试件上预制一定长度的初始裂纹；通过控制点火药包的大小和节流孔板的直径来控制空腔内的升压速率。推进剂试件两侧及底面固定，瞬时点火后增压，点燃推进剂开始燃烧，空腔内的压力急剧上升，从而使试件上的初始裂纹扩展。在以上两种试验中，模拟燃烧室中的推进剂试件两侧的空腔中放置楔形块，通过使用不同α角的楔形块，调节推进剂试件与支撑盘壳壁面间自由体积的大小，来模拟真实发动机壳体对推进剂药柱约束的刚度。有益效果本实用新型固体推进剂裂纹扩展试验装置，通过更换倾斜角度不同的楔形块，实现裂纹扩展自由体积的多次调节；通入氮气实现冷气充压条件下裂纹扩展情况的测试；增加点火药包和点火药包导线，实现推进剂燃烧条件下裂纹扩展情况的测试。试验装置可操作性强，可分别得到冷气充压条件和推进剂燃烧条件下的两组试验数据，使试验数据更加充分翔实；推进剂试件与支撑盘壁面间自由体积的调节简单易行，只需放置不同倾斜角度的楔形块即可，不需制作不同自由体积的支撑盘。本实用新型装置结构简单，操作安全可靠，特别适用于模拟固体火箭发动机点火后燃烧室内增压过程，观测固体推进剂裂纹扩展情况，研究固体推进剂裂纹扩展变化规律及其影响因素的试验。
以下结合附图和实施方式对本实用新型固体推进剂裂纹扩展试验装置作进一步详细说明。
图1为本实用新型固体推进剂裂纹扩展试验装置的结构示意图。图2为本实用新型的模拟发动机燃烧室的示意图。图3为楔形块位置示意图。图4为本实用新型的支撑盘示意图。图5为本实用新型的支撑盘左视图。图6为本实用新型的前法兰盘示意图。图7为本实用新型的后法兰盘示意图。图中1.后密封圈2.后法兰盘3.焊接嘴4.前法兰盘5.支撑盘6.观察窗7.推进剂试件8.前密封圈9.支撑盘壁面10.楔形块
具体实施方式
本实施例是一种固体推进剂裂纹扩展试验装置。包括后密封圈1、后法兰盘2、焊接嘴3、前法兰盘4、支撑盘5、观察窗6、推进剂试件7、前密封圈8、支撑盘壁面9、楔形块10。图1是本实用新型固体推进剂裂纹扩展试验装置的结构图。试验装置的支撑盘5 为空心扁圆柱形，前后贯通的空心内腔呈上下叠加的两个大小方框结构，支撑盘5的顶部设置有两个与空心内腔相通的圆通孔，两个圆通孔呈V字形结构，两个圆通孔上安装有焊接嘴，两个焊接嘴各自与电磁阀和节流孔板相连接，支撑盘5的前端面设有放置前密封圈的环形凹槽，扁圆柱形的观察窗6安装固定在支撑盘与前法兰盘4之间均为紧密配合；支撑盘5空心内腔为模拟发动机燃烧室，推进剂试件7放置在支撑盘5的空心内腔，推进剂试件 7的两侧使用两块α角度相同的楔形块10固定，通过使用不同α角的楔形块，调节推进剂试件与燃烧室壳体间自由体积的大小。前法兰盘4的前端设置有观察燃烧试件的窗口，后端设置有与观察窗外圆直径相同的凹槽，沿前法兰盘4周向均布设置四个通孔，如图6所示。后法兰盘2与支撑盘相接的端面上设置有两层凸台，固定支撑盘5和后密封圈1， 后法兰盘另一端面为平面，沿后法兰盘2周向均布设置四个通孔，如图7所示。圆柱形的观察窗6安装固定在支撑盘5和圆盘状的前法兰盘4之间，观察窗6与支撑盘5、观察窗6与前法兰盘4之间均为紧密配合；在支撑盘5与观察窗6、支撑盘5与后法兰盘2之间使用0型圈密封，将前法兰盘和后法兰盘之间夹紧观察窗与支撑盘时使用四根螺栓连接，拧紧确保无松动。前法兰盘和后法兰盘之间夹紧观察窗与支撑盘时使用螺栓连接，且与推进剂试件的中心在同一轴线上。分别连上内径为5mm的焊接嘴3。参见图2、图3楔形块截面呈上宽下窄，一面有倾斜度的梯形状，楔形块10的厚度与推进剂试件7的厚度相同，楔形块10的倾斜度面与推进剂试件的侧面形成α角，楔形块
5α角为10°至30°。[0035]如图4、图5所示，所采用的推进剂试件7上用小刀预制一定长度的初始裂纹。通过控制点火电荷的大小和节流孔板的喉径来控制升压速率。试验中，试样两侧及底面固定， 点火后，推进剂开始燃烧，空腔内的压力急剧上升，从而使试样上的初始裂纹扩展。在以上两种试验中，在推进剂试样两侧的空腔中放置楔形块，通过使用不同α角的楔形块10，调节推进剂试件7与升压室壳体间自由体积的大小，模拟真实发动机壳体对推进剂药柱约束的刚度。[0036]本实用新型固体推进剂裂纹扩展试验装置其装配过程如下[0037](1)将圆盘状的后法兰盘2平放，在其上装配空心圆柱形的支撑盘5，空心部分为模拟发动机燃烧室，其内部放置推进剂试件7，其上含焊接嘴3，两者之间用后密封圈1密封；[0038](2)将前密封圈8装配在支撑盘5中的图示位置，同时将制作好的推进剂试件7置入支撑盘5的内腔(即模拟发动机燃烧室)，支撑盘内的适当位置，然后用两块楔形块将试件的两侧固定；[0039](3)将圆柱形的观察窗6紧密配合装配在支撑盘5的凹槽内，并适当的压紧；[0040](4)装配圆盘状的前法兰盘4，压紧前法兰盘4、后法兰盘，将两者用螺栓连接，拧紧确保无松动。[0041 ] 冷气条件下的试验流程[0042]用一定形状的模具制作若干推进剂试件7，在推进剂试件7的凹槽中央位置预制一定长度大小的裂纹，取其中一块置入升压室内，在其两侧放置一对楔形块10，然后完成整套试验装置的装配；装配完成后，冷气充压试验时需为试验装置配套供气系统，在冷气充压的气流入口处连接上电磁阀，气流出口处连接上压力传感器和节流孔板。打开电磁阀，完成充压过程。[0043]燃烧条件下的试验流程[0044]用一定形状的模具制作若干推进剂试件，在所有试样的凹槽中央位置预制一定长度大小的裂纹，取其中一块置入升压室内，在其两侧放置一对楔形块10，接好点火电路，然后完成整套试验装置的装配；推进剂燃烧试验时，需在冷气充压试验装置的基础上，在由支撑盘及试件圆弧表面所形成的空腔内放置点火药包，并引出点火药包导线，使电磁阀处于关闭状态，引燃点火药包，完成燃烧试验。[0045]观察高速摄影仪所拍摄的推进剂试样上初始裂纹的扩展过程，并记录裂纹扩展的特点；改变点火电荷的大小、节流孔板的喉径和楔形块的倾斜度，做对比试验，记录试验数据。
权利要求1.一种固体推进剂裂纹扩展试验装置，包括前法兰盘、后法兰盘、支撑盘、焊接嘴、观察窗、前密封圈、后密封圈、推进剂试件和楔形块，其特征在于所述的支撑盘为空心扁圆柱形，前后贯通的空心内腔呈上下叠加的两个大小方框结构，支撑盘的顶部设置有两个与空心内腔相通的圆通孔，两个圆通孔呈V字形结构，两个圆通孔上安装有焊接嘴，两个焊接嘴各自与电磁阀和节流孔板相连接，支撑盘的前端面设有放置前密封圈的环形凹槽，扁圆柱形的观察窗安装固定在支撑盘与前法兰盘之间均为紧密配合；支撑盘空心内腔为模拟发动机燃烧室，推进剂试件放置在空心内腔，推进剂试件的两侧使用两块α角度相同的楔形块固定，通过使用不同α角的楔形块，调节推进剂试样与燃烧室壳体间自由体积的大小。
2.根据权利要求1所述的固体推进剂裂纹扩展试验装置，其特征在于所述的前法兰盘的前端设置有观察燃烧试件的窗口，后端设置有与观察窗外圆直径相同的凹槽，沿前法兰盘周向均布设置四个通孔。
3.根据权利要求1所述的固体推进剂裂纹扩展试验装置，其特征在于所述的后法兰盘与支撑盘相接的端面上设置有两层凸台，固定支撑盘和后密封圈，后法兰盘另一端面为平面，沿后法兰盘周向均布设置四个通孔。
4.根据权利要求1所述的固体推进剂裂纹扩展试验装置，其特征在于所述的楔形块截面呈上宽下窄，一面有倾斜度的梯形状，楔形块的厚度与推进剂试件的厚度相同，楔形块的倾斜度面与推进剂试件的侧面形成α角，楔形块α角为10°至30°。
5.根据权利要求1所述的固体推进剂裂纹扩展试验装置，其特征在于所述的前法兰盘和后法兰盘之间夹紧观察窗与支撑盘时使用螺栓连接，且与推进剂试件的中心在同一轴线上。
专利摘要本实用新型公开了一种固体推进剂裂纹扩展试验装置。该试验装置为模拟发动机燃烧室，其内部放置推进剂试件；推进剂试件固定于支撑盘内腔，用两块楔形块将推进剂试件的两侧固定；圆柱形的观察窗装配于支撑盘和前法兰盘之间，观察窗与支撑盘、观察窗与前法兰盘之间均为紧密配合；前法兰盘、后法兰盘之间用对称分布的四根螺栓连接。支撑盘顶部开有两个通孔，分别安装两个焊接嘴与电磁阀和节流孔板相连。试验装置结构简单，操作安全可靠，特别适用于模拟固体火箭发动机点火后燃烧室内增压过程，观测固体推进剂裂纹扩展情况，研究固体推进剂裂纹扩展变化规律及其影响因素的试验。
文档编号G01N3/10GK202256282SQ201120343220
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者刘松启, 刘迎吉, 吴素丽 申请人:西北工业大学