一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置及收集方法与流程

本发明属于固体火箭技术领域，具体涉及一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置及收集方法。

背景技术：

为提高固体推进剂的比冲，增加推进剂的能量密度，抑制燃烧不稳定现象，通常推进剂组分中含有18％左右的铝粉。固体推进剂凝相燃烧产物主要为al及其氧化产物al2o3颗粒，凝相燃烧产物降低发动机比冲、加剧绝热层烧蚀、加剧熔渣沉积和影响发动机燃烧稳定性。通过试验收集凝相燃烧产物，对其进行粒度、形态和理化分析，能够获得铝颗粒在推进剂燃面处的团聚特性以及铝颗粒离开燃面后的演化机制和燃烧过程。

密闭容器法是凝相燃烧产物收集最常用的方法，国内外用此方法进行了大量的凝相产物收集试验。glotov设计了一种推进剂凝相产物收集装置，该装置由两个高压容器组成，外部的吹除容器和内部的薄壁圆筒容器，推进剂固定在安装座上，安装座通过三根针杆固定在盖板上，盖板安装在薄壁圆筒上部，吹除容器上部的进气阀和下部的排气阀使容器内维持恒定的压力，凝相燃烧产物通过周围的氮气流冷却，通过薄壁圆筒容器下部的金属丝网和气溶胶过滤器对凝相粒子进行过滤收集。西北工业大学的燃烧、流动和热结构国家级重点实验室现有的推进剂凝相燃烧产物收集装置是由燃烧室和粒子收集容器两部分组成，装有推进剂的燃烧室置于安装在收集装置上部，通过收集容器内的水来冷却凝相产物，容器底部安装的排水泄压流量控制装置使容器内维持恒定的压力。试验结束后收集悬浊液凝相产物，然后通过沉降、富集、除杂和烘干等工艺过程获得凝相产物颗粒。

通过调研发现现有的推进剂凝相燃烧产物收集装置及收集方法均存在如下问题：(1)glotov采用的气冷方式，冷却效率低导致冷却行程较长。西北工业大学采用的水冷方式会使气化的水蒸气会参与铝颗粒的氧化反应。酒精、丙酮和液氮冷却方式存在挥发性太强的问题。(2)推进剂燃面位置无法固定，导致随着燃面退移，燃面距收集界面的距离逐渐增大，获得试验数据无法说明流动过程对铝颗粒燃烧的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置及收集方法，可以调节燃面距收集界面的距离，使燃面始终维持在恒定位置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置，包括燃烧室组件，燃烧室组件包括燃烧室壳体，燃烧室壳体的内部空腔由上下两个相连通的圆柱形组成，且上圆柱形的直径小于下圆柱形的直径；下圆柱形空腔底部密封安装有下封盖，下圆柱形空腔用于盛放黄油冷却剂；在上圆柱形空腔内滑动安装有活塞，活塞的上方固定安装有连杆，连杆用于带动活塞上下运动；上圆柱形空腔内、位于活塞下方的空间、用于放置药柱，该药柱的下端面为燃面；连杆向下运动的速度满足：在药柱燃烧过程中，使药柱燃面与黄油冷却剂表面的距离保持为一定值。

进一步地，在燃烧室壳体上设置有与其内部相通的充气接头和排气接头，充气接头与外部气源相连通，用于向药柱燃面与黄油冷却剂表面间的空腔内充入气体；充气接头用于排出燃气。

进一步地，在燃烧室壳体上安装有点火接头，点火接头用于点燃药柱。

进一步地，在燃烧室壳体的上段为一敞口的上封盖，连杆的端部穿过上封盖，上封盖内腔上段为直径缩小的环形肩台，连杆的中部设置有环形凸台，所述凸台用于：在连杆向上运动时，卡在环形肩台上，以限制连杆向上运动的距离。

进一步地，该连杆上、且位于上封盖外部可拆卸螺纹安装有锁紧螺母。

进一步地，在燃烧室壳体上设置有传感器接头。

进一步地，该连杆的端部连接有驱动装置，驱动装置用于带动连杆上下运动。

进一步地，还包括支架，支架包括上下且平行设置的上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板间通过竖直设置的支撑杆相连接燃烧室组件安装于下支撑板上，所述驱动装置位于燃烧室组件上方，且安装于上支撑板上。

本发明还公开了上述的一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置的收集方法，其特征在于，点燃药柱，药柱燃面燃烧的凝相产物落入黄油冷却剂上，在药柱燃烧过程中，连杆向下运动，带动药柱向下朝向黄油冷却剂运动，使药柱燃面与黄油冷却剂表面的距离保持为一定值；得到收集有凝相产物的黄油冷却剂，即完成凝相燃烧产物的收集。

本发明一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置及收集方法具有如下优点：1.本收集装置通过驱动装置推动活塞向下运动，速度等于推进剂燃速，从而保证推进剂燃面始终位置在恒定位置；调节下封盖内黄油的高度使燃面距冷却界面的距离可调，从而可以收集不同燃面距离下的凝相燃烧产物，通过分析收集到的凝相产物，可以研究流动过程对铝粒子燃烧的影响。2.采用黄油作为冷却介质，由于黄油的粘性，燃烧后的凝相产物，离开燃面后粘附在黄油表面，迅速冷却冻结。采用黄油作为冷却介质不仅能够减小挥发性的同时，而且能够消除冷却介质对铝氧化反应的干扰。

附图说明

图1为燃烧室组件主视图；

图2为燃烧室组件俯视图；

图3为支撑组件示意图；

图4为凝相燃烧产物收集装置示意图；

图5为凝相产物收集系统示意图；

其中：1.连杆；2.锁紧螺母；3.上封盖；4.燃烧室壳体.；5.充气接头；6.传感器接头；7.排气接头；8.密封塞；9.压螺；10.点火接头；11.下封盖；12.o型圈；13.石墨垫；14.活塞；15.药柱；16.黄油冷却剂；20.上支撑板；21.支撑杆；22.下支撑板；23.管路；24.y型接头；25.压块；26.销；27.电磁阀；28.驱动装置；a.燃烧室组件。

具体实施方式

本发明一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置，如图1和2所示，包括燃烧室组件a，燃烧室组件a包括燃烧室壳体4，燃烧室壳体4的内部空腔由上下两个相连通的圆柱形组成，且上圆柱形的直径小于下圆柱形的直径；

下圆柱形空腔底部密封安装有下封盖11，下圆柱形空腔用于盛放黄油冷却剂16；在上圆柱形空腔内滑动安装有活塞14，活塞14和上圆柱形空腔之间通过o型圈12密封。活塞14的上方固定安装有连杆1，连杆1用于带动活塞14上下运动；上圆柱形空腔内、位于活塞14下方的空间、用于放置药柱15，该药柱15的下端面为燃面；

上述连杆1向下运动的速度满足：在药柱15燃烧过程中，使药柱15燃面与黄油冷却剂16表面的距离保持为一定值。燃烧室壳体4与下封盖11之间通过石墨垫13进行密封。上述的药柱15即是设置为柱状的固体推进剂。

工作时随着推进剂燃烧，驱动装置28通过连杆1推着活塞14向下运动，运动速度等于推进燃速，工作时间等于药柱15燃烧时间，因此燃面位置保持不变，始终与燃烧室壳体4内部下圆柱形的上端面平齐。药柱15燃烧后，团聚后的铝粒子离开燃面后，粘附在黄油冷却剂16表面，迅速冷却冻结。在燃烧室壳体4上焊接有与其内部相通的充气接头5和排气接头7，充气接头5与外部气源相连通，用于向药柱15燃面与黄油冷却剂16表面间的空腔内充入气体；燃烧过程中产生的燃气通过排气接头7排出，使药柱15和黄油冷却剂16间的空间内维持恒定的压力。排气接头7通过管路连接有喷管。电磁阀27通过管路23分别安装在充气接头5和排气接头7上。

在燃烧室壳体4的下部圆柱体的侧壁上，且位于黄油冷却剂16的界面上的位置设置有与其内部相通的点火接头10；点火接头10内通过压螺9安装有密封塞8。点火接头10为两端相通的壳体。连杆1的端部连接有驱动装置28，驱动装置28用于带动连杆上下运动。在燃烧室壳体4上设置有传感器接头6。

在燃烧室壳体4的上段为一敞口的上封盖3，连杆1的端部穿过上封盖3，上封盖3内腔上段为直径缩小的环形肩台，连杆1的中部设置有环形凸台，凸台用于：在连杆1上、且位于上封盖3外部可拆卸螺纹安装有锁紧螺母2，装配时对连杆1进行固定。

如图3和4所示，连杆1的端部连接有驱动装置28，驱动装置28用于带动连杆上下运动。还包括支架，支架包括上下且平行设置的上支撑板20和下支撑板22，上支撑板20和下支撑板22间通过竖直设置的支撑杆21相连接；燃烧室组件a安装于下支撑板22上，驱动装置28位于燃烧室组件a上方，且安装于上支撑板20上。驱动装置28可以采用一竖直推进杆，推进杆与电机相连接。连杆1的上端部螺纹连接有y型接头24，y型接头24的开口内设置有压块25，y型接头与压块之间通过销26连接。压块25螺纹连接于驱动装置28的推进杆上。

上述的一种固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置的收集方法如下，在燃烧室壳体4的腔体灌注黄油冷却剂16，在连杆1的位于上圆柱体内的端部安装固定药柱15，药柱15的端部与黄油冷却剂16间的距离为定值，药柱15燃烧，燃面燃烧的凝相产物落入黄油冷却剂16上，在药柱15燃烧过程中，连杆1向下运动，带动药柱15向下朝向黄油冷却剂16运动，使药柱15燃面与黄油冷却剂16表面的距离保持为一定值；得到收集有凝相产物的黄油冷却剂16，即完成凝相燃烧产物的收集。药柱15通过胶固定在活塞端面，黄油冷却剂16表面与药柱15燃面间的距离可以是10mm或20mm。

凝相产物收集系统示意图如图5所示，固体推进剂凝相燃烧产物的收集装置与外围辅助装置相连接，外围辅助装置包括点火器、数据采集装置、控制设备、高压气源。高压气源与充气接头5管路连通，点火器与点火接头10相连接，数据采集系统与传感器接头6相连接，点火器、驱动装置28、电磁阀均与控制设备相连接。

固体推进剂凝相燃烧产物的具体收集过程如下：

1.进行燃烧室组件a装配，将电阻丝固定在电极上，点火线通过密封塞8和压螺9与外界相接。

2.将装配好后的燃烧室组件a安装在支撑组件的下支撑板22上。y型接头24安装在连杆1上，压块25安装在驱动装置28上，y型接头24与压块25之间通过销26连接。

3.将喷管件、排气电磁阀与燃烧室组件a的排气接头7相连，充气电磁阀与充气接头7相连，压力变送器安装在测压传感器接头6中。

4.将压力传感器与数据采集装置相接，电磁阀、点火线和驱动装置28与控制设备相接。

5.充气电磁阀与气源连接，关闭排气电磁阀，对燃烧室壳体4内充入氩气，充气的同时采集燃烧室压力，当压力至10mpa左右时，关闭充气电磁阀。保压5min，检查系统的气密性。

6.设置驱动装置28的工作参数，使输出的直线运动速度等于固体推进剂燃速，工作时间等于推进剂燃烧时间。

7.按照点火指令进行点火，点火的瞬间启动驱动装置28，同时打开排气电磁阀，传感器开始采集燃烧室壳体4内的压力。

8.试验结束后，取出黄油冷却剂16并用丙酮进行溶解，获得推进剂凝相燃烧产物。