一种利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置的制作方法

本发明涉及固体火箭发动机技术领域，具体地说，涉及一种利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置。

背景技术：

在固体推进剂中，通常会加入一些燃烧热值较高的金属燃料如铝粉等，以提高固体推进剂比冲。对于高含铝复合推进剂，因燃烧室内温度很高，产生的金属燃烧产物Al₂O₃在燃气中呈熔融状态，即凝相颗粒。凝相燃烧产物颗粒的大小及分布是发动机性能分析和工作过程仿真的重要参数，如固体火箭发动机两相流的规律分析、凝相产物对发动机绝热层和喷管的机械冲刷，凝相产物对燃烧不稳定的抑制作用。

文献“Plume particle collection and sizing from static firing of solid rocket motors》”(AIAA-95-2590)中设计并制造了一种独特的飞镖系统,可对静态点火的固体火箭发动机羽流场中的颗粒进行采集，当飞镖通过羽焰时，会在飞镖铜带表面粘附粒子样品；在不同时刻和不同部位，从大尺寸固体火箭发动机排气羽流中采集Al₂O₃粒子样品。但所收集羽流处的燃烧产物的样品过少不具代表性。

在文献“固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的收集与分析”(《固体火箭技术》，2008，31(5):461-463)中提出一种固体火箭发动机燃烧室内凝相粒子收集装置。利用水冻结固体推进剂的燃烧产物，获得凝相粒子。收集装置由粒子收集容器和压力保持容器组成。粒子收集容器内充入定量水，用于冻结推进剂燃烧产物，通过过滤器收集粒径大于3μm的粒子。收集装置不足之处是采用水冻结凝相粒子，存在水与凝相粒子发生化学反应的现象，影响实验结果的准确性。收集装置在推进剂燃烧过程中，压强保持容器的功能发挥不明显，压强保持不平稳，不利于准确分析压强对凝相燃烧产物粒度分布的影响。

发明专利CN201510508666.2中公开“一种气冷无污染推进剂凝相燃烧产物收集装置”。该装置由固体火箭发动机和收集容器组成，发动机与收集容器通过螺栓固连，凝相燃烧产物从收集容器中采集，通过电磁阀排气调节燃烧室内压强。电磁阀排出的气体流量等于推进剂燃烧产生的气体流量，燃烧室内压强是否平稳取决于电磁阀的响应时间；该装置体积较大，成本相对较高。

在发明专利CN201610213197.6中提出“一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置”。收集装置由燃烧室和容积可调的圆柱筒组成，燃烧室和圆柱筒二者通过螺栓固连，在圆柱筒内利用预紧螺柱和预紧螺帽对硅橡胶环进行压缩，使得硅橡胶环膨胀并与圆柱筒壁面产生巨大的摩擦力。收集装置通过硅橡胶环与壁面产生的摩擦力f等于燃烧室内压强作用于圆柱筒端面的压力F的原理,实现容积自我调节。

技术实现要素：

为了克服现有装置中收集容器压强不够平稳，避免水与凝相燃烧产物发生化学反应的问题，本发明提出一种利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置；该收集装置通过弹簧弹力自动卸压，模拟发动机燃烧室内压强平稳环境，实现对发动机燃烧室内所有凝相燃烧产物进行无污染收集。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置，由燃烧室、燃烧产物收集箱、活塞缸、尾管和支撑底座组成，燃烧室、燃烧产物收集箱、活塞缸与尾管各部件间通过部件端部法兰、螺栓固连，两支撑底座位于活塞缸下方，实现对整体部件的支撑；其特征在于所述燃烧室包括推进剂托架、推进剂、推进剂支架，推进剂托架与前挡板螺纹连接，推进剂放置在推进剂托架内，并通过推进剂支架实现轴向定位；

所述燃烧产物收集箱包括前挡板、箱体、凹槽，所述箱体为圆筒形，两端部外缘有连接法兰，箱体一端与前挡板固连，另一端与活塞缸体连接,且与活塞缸体连接的箱体内端部周向有厚度为10mm，水平夹角为15～30度的凸台，外端部周向有凹槽，箱体侧壁面上分别开有氩气入口、压强传感器接口，前挡板中心开有与推进剂托架敞开端相通的圆孔,依前挡板中心圆孔两侧开有点火孔、出气口；

所述活塞缸包括活塞缸体、定位盘、活塞、定位杆、后挡板、法兰，所述活塞缸体为圆筒形结构，定位杆为细长圆柱体，定位杆一端与活塞螺纹连接，另一端穿过定位盘中心孔，且与后挡板中心圆孔位于同一轴线上，定位盘与活塞缸体一端固连，后挡板与活塞缸体通过法兰、螺栓固连，后挡板上开有氩气入口和压强传感器接口，所述定位盘内侧表面依中心孔有环形凹槽，在环形凹槽与盘缘之间开有多个通孔，环形凹槽放置聚四氟乙烯垫圈用来缓冲活塞的撞击；

所述尾管包括尾管腔体、尾管堵头、钢球、弹簧、定位块、固定筒、固定块，所述尾管腔体为中空圆柱体,一端与后挡板固连,尾管堵头与尾管腔体另一端螺纹连接，尾管腔体上开有出气口和排气口，固定筒与固定块固连，位于排气口下面，弹簧与定位块配合安装在固定筒内，定位块在固定筒内上下滑动，钢球外部包裹橡胶层位于定位块上,且与排气口接触，固定块固定在支撑底座上。

推进剂托架与前挡板之间、尾管腔体与尾管堵头之间，分别采用聚四氟乙烯垫圈实现密封。

所述钢球采用硅橡胶包裹。

活塞的环形凹槽内放置有氟橡胶圈，用于活塞与活塞缸体之间的密封。

有益效果

本发明利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置,通过弹簧弹力自动卸压，模拟发动机燃烧室内压强平稳环境，实现对发动机燃烧室内所有凝相燃烧产物进行无污染收集。收集装置结构简单、体积较小、易于加工、收集方便；所需氩气的气体量较少，节省成本。

本发明利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置具有压强自动平衡功能；收集装置通过活塞的移动来调节活塞两侧的容积大小，进而调节活塞两侧的压强，当活塞一侧的压强超过指定压强时，通过排气口处的钢球和弹簧结构调节向外排气直至再次达到平衡状态，建立维持在实验指定压强下的稳压平衡环境。

本发明利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置，利用弹簧弹力实现自动卸压；当作用于钢球上的气体压力大于弹簧施加给钢球的力时，钢球向下运动与排气口之间产生缝隙，气体从缝隙排出。钢球和弹簧结构响应时间短，反应灵敏，能及时向外排气以获得实验所需要的平稳的压强环境，还可根据实验具体需要增减钢球和弹簧结构的数量。

本发明利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置具有良好的密封性；在活塞环面的两圈环形凹槽内放置氟橡胶密封圈，用来实现活塞两侧空间的密封并保证凝相燃烧产物无污染；钢球和弹簧结构中的钢球用硅橡胶包裹,以保证实验装置具有良好的密封性。

本发明利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置，其固体火箭发动机中装配推进剂支架长度可根据需要调节，实现不同流动距离条件下的凝相燃烧产物收集。调节推进剂支架长度的方式有两种:在推进剂长度保持不变的情况下，使用长度不同的石墨垫块来改变推进剂支架的长度；或通过改变推进剂的长度来改变推进剂支架的长度。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置作进一步详细说明。

图1为本发明利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置示意图。

图2为本发明利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置结构剖视图。

图3为本发明收集装置的钢球和弹簧结构剖视图。

图4a、图4b为本发明收集装置的钢球受力分析示意图。

图5a、图5b为本发明收集装置的燃烧室与点火药盒结构剖视图。

图6为实施例一的粒度分布曲线图。

图7为实施例二的粒度分布曲线图。

图8为实施例三的粒度分布曲线图。

图中:

1.燃烧室 2.燃烧产物收集箱 3.活塞缸 4.尾管 5.支撑底座 6.推进剂托架

7.推进剂 8.推进剂支架 9.前挡板 10.箱体 11.活塞缸体 12.定位盘 13.活塞

14.定位杆 15.后挡板 16.尾管腔体 17.尾管堵头 18.法兰 19.凹槽 20.点火孔

21.出气口 22.氩气入口 23.压强传感器接口 24.钢球 25.弹簧 26.定位块

27.固定筒 28.固定块 29.石墨垫块

具体实施方案

本实施例是一种利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置。

参阅图1～图5a、图5b，本实施例利用弹簧力控制恒压的凝相燃烧产物收集装置，由燃烧室1、燃烧产物收集箱2、活塞缸3、尾管4和支撑底座5组成，燃烧室1、燃烧产物收集箱2、活塞缸3与尾管4各部件间通过部件端部法兰和螺栓固定连接，两个支撑底座5分别位于活塞缸3下方，实现对固连后整体部件的支撑。其中，燃烧室1包括推进剂托架6、推进剂7、推进剂支架8，推进剂托架6与前挡板9通过螺纹连接，并用聚四氟乙烯垫圈来实现二者之间的密封。推进剂7放置在推进剂托架6内，并通过推进剂支架8实现轴向定位。燃烧产物收集箱2包括前挡板9、箱体10、凹槽19，箱体10为圆筒形，两端部外缘有连接法兰，箱体10一端与前挡板9固定连接，另一端与活塞缸体11连接,且与活塞缸体11连接的箱体10内端周向有厚度为10mm，水平夹角为15～30度的凸台，端部周向有凹槽19，通过放置耐高温的硅橡胶O型圈来实现的密封。箱体10侧壁面上分别开有氩气入口22、压强传感器接口23，前挡板9中心开有与推进剂托架6敞开端相通的圆孔,依前挡板9中心圆孔两侧开有点火孔20、出气口21。

活塞缸3包括活塞缸体11、定位盘12、活塞13、定位杆14、后挡板15，活塞缸体11为圆筒形结构，活塞13为短圆柱体，活塞13侧面有两圈环形凹槽放置耐高温的氟橡胶O型圈,用来实现活塞13与活塞缸体11之间的密封，活塞侧面与活塞缸体内壁的光洁度均为0.8以保证活塞顺利的移动。定位杆14为细长圆柱体，定位杆14一端与活塞13通过螺纹连接，定位杆14另一端穿过定位盘12中心圆孔，且与后挡板15中心孔位于同一轴线上；定位盘12与活塞缸体11一端焊接固定,后挡板15与活塞缸体11通过法兰18和螺栓固定连接，后挡板15上开有氩气入口22、压强传感器接口23。定位盘12内侧面有环形凹槽，在环形凹槽与盘缘之间加工有8-12个φ20mm个通孔，使活塞缸体11内腔与尾管腔体16之间气体相通；定位盘12的环形凹槽放置聚四氟乙烯垫圈,用来缓冲活塞13的撞击。

尾管4包括尾管腔体16、尾管堵头17、钢球24、弹簧25、定位块26、固定筒27、固定块28，其中，尾管腔体16为中空圆柱体,尾管腔体16一端与后挡板15定位焊接，尾管堵头17与尾管腔体16另一端通过螺纹连接，尾管腔体16上开有出气口和排气口。固定筒27与固定块28固连安装在排气口下面，弹簧25与定位块26配合安装在固定筒27内，定位块26与弹簧25配合在固定筒27内上下滑动，钢球25外部包裹硅橡胶位于定位块26上,且与排气口接触，固定块28固定在支撑底座上。尾管腔体16与尾管堵头17之间通过聚四氟乙烯垫圈来实现密封。

本实施例中,在推进剂燃烧前，活塞缸体内的活塞两侧的压强相等即P₁＝P₂，其中P₁为活塞一侧的压强，P₂为活塞另一侧的压强，此时，活塞位于活塞缸体靠近燃烧产物收集箱的一侧；排气口处的钢球处于平衡状态即F₁＝F₂，此时钢球与排气口接触紧贴保证密封性。F₁为弹簧施加给钢球的弹力即F₁＝kx，其中k为弹簧弹性系数，x为弹簧的伸长量或压缩量；F₂为活塞另一侧的气体压力作用于钢球的力即F₂＝P₂S，其中S为接触面积。当推进剂燃烧时，燃烧产物收集箱内的压强增大，即P₁′>P₂′，箱体内的气体推动活塞向右侧移动，活塞左侧的容积增大，压强P₁′降低，而活塞右侧的容积减少，P₂′压强增大，此时作用于钢球上的压力F₂′大于弹簧施加给钢球的力F₁，钢球向下运动与排气口之间产生缝隙，气体从缝隙里排出，活塞右侧的压强减少，直至再次达到P₁＝P₂的平衡。最终建立维持在实验指定压强下的稳压平衡环境。

不同工况下无污染收集凝相燃烧产物的具体步骤如下:

(1)将燃烧室、燃烧产物收集箱、活塞缸、尾管和支撑底座及其它子系统装配完成，子系统包括氩气瓶、压强传感器、手阀、电磁阀、限流装置；

(2)向活塞缸内充入2MPa氩气，10s后再向燃烧产物收集箱内充入等量氩气，保持该状态5分钟，检查装置的气密性；

(3)继续向活塞缸和燃烧产物收集箱内充入氩气，使内部压强维持在实验指定压强；

(4)推进剂点火，打开电磁阀，同时采集活塞缸和燃烧产物收集箱内压强曲线；

(5)推进剂燃烧过程中，如果装置内压强超过指定压强，通过钢球和弹簧结构调节向外排气，直至再次达到平衡状态，使装置内压强维持在指定工作压强范围；

(6)推进剂燃烧结束，等待凝相产物冷却，打开手阀放气，至装置内恢复常压，打开装置，收集全部凝相燃烧产物。

实施例一

在燃烧室1中依次装配推进剂托架6、推进剂7、推进剂支架8，推进剂燃烧端面距离燃烧产物收集箱箱体80mm。按照上述的具体操作步骤，完成流动距离为80mm，实验工作压强为5MPa条件下的凝相燃烧产物收集。使用激光粒度仪Mastersizer 2000，Malvern对收集到的凝聚相燃烧产物进行粒度分析，得到图6所示的粒度分布图。在流动距离80mm，工作压强5MPa的实验条件下，凝聚相燃烧产物的粒度分布图有两个明显的峰，分别为低粒度区域0.25～1.3μm和中粒度区域1.3～30μm，曲线的第三段缓慢下降为大粒度区域30～105μm。

实施例二

在燃烧室1中依次装配推进剂托架6、石墨垫块29、推进剂7、推进剂支架8，石墨垫块将推进剂向前推移了40mm，推进剂燃烧端面距离燃烧产物收集箱箱体40mm。按照具体操作步骤完成流动距离为40mm，实验工作压强为5MPa条件下的凝相燃烧产物收集。使用激光粒度仪Mastersizer 2000，Malvern对收集到的凝聚相燃烧产物进行粒度分析，得到图7所示的粒度分布图。在流动距离为40mm，工作压强为5MPa的实验条件下，凝聚相燃烧产物即2#样品的粒度分布图有两个明显的峰，分别为低粒度区域0.25～1.3μm和中粒度区域1.3～20μm，曲线的第三段相对平缓为大粒度区域20～50μm。

实施例三

在燃烧室中依次装配推进剂托架6、推进剂7、推进剂支架8，推进剂燃烧端面距离燃烧产物收集箱箱体80mm。然后按照上述具体操作步骤，完成流动距离为80mm，实验工作压强为7MPa条件下的凝相燃烧产物收集。使用激光粒度仪Mastersizer 2000，Malvern对收集到的凝聚相燃烧产物进行粒度分析，得到图8所示的粒度分布图。在流动距离为80mm，工作压强为7MPa的实验条件下，凝聚相燃烧产物即3#样品的粒度分布图有三个明显的峰，分别为低粒度区域0.25～1.3μm、中粒度区域1.3～16μm和大粒度区域16～50μm。

可见在不同的流动距离、不同的实验工作压强下,所得到的凝聚相燃烧产物的尺寸不同，而凝相燃烧产物的尺寸分布会影响固体火箭发动机燃烧室效率和喷管效率。