一种可视化冷气冲击实验装置的制作方法

本发明属于固体火箭发动机推进剂结构领域，特别是一种可视化冷气冲击实验装置。

背景技术：

火箭发动机是火箭、导弹飞行的推进动力装置，主要由燃烧室、点火器、推进剂装药和喷管等部件组成，具备结构简单、成本低、维护方便快捷、快速反应能力强等特点。固体火箭发动机点火是固体火箭发动机工作的重要阶段，点火过程具有瞬时性和复杂性。点火过程的安全性和可靠性决定了固体火箭发动机的正常工作，是评判发动机质量的重要依据。

固体火箭发动机的点火过程包含了点火延迟期、火焰传播期和燃烧室充满期三个阶段，同时还伴有超压、滞火、燃烧震荡等不规则现象，是一个十分复杂的过程。点火初期，点火药快速燃烧形成的冲击波作用于发动机装药表面，瞬态的增压过程会对发动机装药的结构完整性造成一定影响甚至破坏，同时可能在装药内部形成微观缺陷，降低发动机内弹道的重现性，影响发动机的工作性能。

复现真实的点火程序需要耗费大量的准备工作，同时具有一定的危险性。冷气冲击实验基本原理是在不考虑气体温度的情况下，通过储能系统产生的初始压力峰对实验目标冲击，从而达到模拟发动机真实点火产生的初始压力峰产生的瞬间冲击效果，是一种研究点火冲击作用简便且有效的方法。现阶段的冷气冲击试验装置多为不透明或半透明构造，无法满足纹影仪等光学测量设备的使用，导致冲击瞬态过程中部分物理现象的测量捕捉方法缺失。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可视化冷气冲击实验装置，以模拟推进剂装药在冲点火产生的初始压力峰瞬间的冲击效果，分析在冷气冲击作用下发动机燃烧室内压力分布规律、推进剂应力及位移等情况。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种可视化冷气冲击实验装置，包括设有矩形空腔的燃烧室，分别固定在燃烧室前后端的第一法兰、第二法兰，转接口，闭锁器，储气罐，控制阀门和气瓶；所述第一法兰与转接口固连；所述转接口为圆转方接口，通过闭锁器与储气罐固连；所述储气罐经通气管道和控制阀门与气瓶连接；所述第二法兰中心设有矩形孔，矩形孔大小与矩形空腔大小一致；所述燃烧室包括分别位于前后端的侧板、顶板、底板；两个侧板和顶板、底板之间构成燃烧室的矩形空腔；所述侧板采用透明材料制成；所述底板从前向后设有多个安装孔；安装孔内设有压力传感器，以检测冷气冲击作用下燃烧室内压力分布规律；所述燃烧室内填充有主装药，底板上设有多个连接孔，自攻螺丝通过连接孔将主装药固定在燃烧室内；所述主装药上黏贴有多个应变片，以检测冷气冲击作用下主装药产生的应力；所述燃烧室外部设有高速摄像机和纹影仪，分别用以测量冷气冲击作用下主装药产生的位移和燃烧室内的流场变化。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明的实验装置，可以模拟点火燃气对推进剂装药的冲击作用，对其进行可视化研究，弥补现有研究方法无法使用光学测量方法的不足。

(2)本发明的实验装置，可以根据试验需要，通过更换入口转接口，实现气体通道面积、形状的改变，同时结合储气罐内气体压力，调整冲击强度等参数。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的可视化冷气冲击试验装置的主视图。

图2为燃烧室的主视图。

图3为燃烧室的俯视图。

图4为燃烧室顶板主视示意图。

图5为燃烧室底板俯视示意图。

图6为第二法兰主视剖视图。

图7为第二法兰左视图。

图8为闭锁器主视剖视图。

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图7，本发明的一种可视化冷气冲击实验装置，包括设有矩形空腔的燃烧室、分别固定在燃烧室前后端的第一法兰4、第二法兰5，转接口6，闭锁器7，储气罐8，控制阀门10和气瓶11；所述第一法兰4与转接口6固连；所述转接口6为圆转方接口，通过闭锁器7与储气罐8固连；所述储气罐8经通气管道9和控制阀门10与气瓶11连接；所述第二法兰5中心设有矩形孔，矩形孔大小与矩形空腔大小一致，使得燃烧室内气流能够顺畅通过。所述燃烧室包括分别位于前后端的侧板1、顶板2、底板3；两个侧板1和顶板2、底板3之间构成燃烧室的矩形空腔；所述侧板1采用透明材料制成。所述底板3从前向后设有多个安装孔3-1；安装孔3-1内设有压力传感器，以检测冷气冲击作用下燃烧室内压力分布规律；所述燃烧室内填充有主装药，底板3上设有多个连接孔3-2，自攻螺丝通过连接孔将主装药固定在燃烧室内，避免主装药偏移；所述主装药上黏贴有多个应变片，以检测冷气冲击作用下主装药产生的应力；所述燃烧室外部设有高速摄像机和纹影仪，分别用以测量冷气冲击作用下主装药产生的位移和燃烧室内的流场变化。

结合图8，所述闭锁器7包括固定座71、挡板72、活塞缸73、活塞74、撞针75、锁死机构、金属膜片76、支架77、第一弹簧78；

所述活塞缸73一端与固定座71固连，另一端与转接口6相连；所述活塞缸73内部设有金属膜片76，以进行密封；所述活塞缸73内一端设有第一弹簧78；所述挡板72固定在固定座71的中心孔内，对活塞缸73和第一弹簧78一端进行轴向定位；第一弹簧78另一端与活塞74相连；所述撞针75通过支架77与活塞74相连；所述锁死机构设置在活塞缸73上，穿过活塞缸73将活塞74锁死；打开锁死机构，活塞74在第一弹簧78作用下，带动撞针75向金属膜片76运行，撞针75刺破金属膜片76，储气罐8中高压气体快速流入实验冲击装置。

进一步的，所述锁死机构包括紧固螺栓79、滑动体80、闭锁气缸81、第二弹簧82、顶柱83；所述闭锁气缸81固定在活塞缸73上，所述滑动体80设置在闭锁气缸81内，所述闭锁气缸81底部和滑动体80之间设有第二弹簧82；所述滑动体80底板固连有顶柱83；所述顶柱83穿过活塞缸73与活塞74接触；紧固螺栓79压住滑动体80，滑动体80压缩第二弹簧82；顶柱83将活塞74卡住；拧开紧固螺栓79，滑动体80向上滑动，在第二弹簧82作用下，顶柱83与活塞74分离，锁死机构打开。

优选的，所述侧板1的采用透光率大于90％的材料制成。

优选的，所述侧板1采用光学石英玻璃、钢化玻璃、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)等材料，所选用材料既能保证强度要求(抗高冲击)，同时满足透光率要求。

进一步的，所述顶板2、底板3上均设有多个固定座7，固定座7上设有螺纹孔，以将顶板2、底板3和侧板1之间紧固连接，保证连接强度，且侧板1和顶板2、底板3之间还设有密封垫，通过螺栓紧固压实，保证密封性。

进一步的，对于一些对冲击敏感的主装药，所述主装药底部还设有底座，自攻螺丝通过连接孔与底座相连，将主装药固定在燃烧室内。

实验前，将冲击实验模型固定于模拟燃烧室内，并按照实验需求在实验模型、模拟燃烧室内安置传感器等内部测量设备。将实验系统中闭锁段内部的撞针调整为压缩状态，然后将金属膜片安装在退回后的撞针前端，最后安装转接段及模拟燃烧室段，将实验设备完整组装。同时，按照测量设备要求，在实验装置周围放置高速摄像机、纹影仪、灯光等外部测量装置。然后，开启氮气瓶及阀门，使高压气流入到储气装置内，控制阀门包含减压阀和安全阀，借助减压阀和安全阀控制储气罐中气体压强，充气完毕后关闭控制阀门。

实验时，移动闭锁器移动顶螺栓，释放撞针使其快速向前运动撞破金属膜片。金属膜片在高速撞针和高压气体的共同作用下产生破坏，高压区气体快速流进ⅱ脉冲发动机燃烧室内，对实验模型产生冲击作用，并在ⅱ脉冲燃烧室内快速传播。同时。使用压力传感器、高速相机拍、纹影仪等测试设备测量、捕捉、记录所需实验参数。