一种复杂气体条件下含铝固体推进剂燃烧团聚产物干湿式收集装置和方法

1.本发明涉及含铝固体推进剂燃烧团聚技术领域，具体为一种复杂气体条件下含铝固体推进剂燃烧团聚产物干湿式收集装置和方法。


背景技术：

2.金属铝以其耗氧低、密度高、热量高、易点燃和相容性好等优势，在固体推进剂中获得了广泛的应用。铝颗粒在固体燃料冲压发动机中的燃烧能产生较高的火焰温度，传递给流动的燃气会提高冲压发动机的比冲，同时铝颗粒的燃烧还能够有效的抑制燃烧不稳定现象，提高固体燃料冲压发动机的推进性能和燃烧稳定性。然而，铝颗粒在固体推进剂的燃烧表面上熔化，易团聚在一起并形成不同尺寸的团聚物，团聚物受气流曳力作用进入燃烧内流场中，会导致燃烧效率降低、两相流损失、燃渣沉积和侵蚀强化等现象，极大地阻碍了固体燃料冲压发动机的工程应用。因此，深入研究固体推进剂中铝颗粒的燃烧团聚特性，无论是在基础科学研究方面，还是在解决关键工程技术瓶颈方面都具有十分重要的意义。
3.对含铝固体推进剂的燃烧团聚产物进行收集和分析，是获取推进剂燃烧性能、团聚行为与特性的最主要途径和方法。不同的燃烧团聚产物收集装置会影响燃烧产物的后续测试性能和测试结果的准确性。大量的文献分析表明，不同方式的单一收集装置所得到的测试结果存在较大差异。因此，为了获得准确可靠的含铝固体推进剂燃烧团聚产物的理化特性，同时运用干式和湿式装置对燃烧团聚产物进行收集，进行对比研究，解决了不同收集装置对燃烧产物性质影响的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于提供一种复杂气体条件下含铝固体推进剂燃烧团聚产物干湿式收集装置，通过燃烧团聚产物收集模块，实现燃烧团聚产物干式和湿式的收集。
5.为解决上述技术问题，本装置采用以下技术方案：一种复杂气体条件下含铝固体推进剂燃烧团聚产物干湿式收集装置，其特征在于：包括：复杂环境气体控制模块、数据采集模块、定容激光点火模块和燃烧团聚产物收集模块；
6.所述环境气体控制模块包括高压气瓶组6、四通阀门7、气体阀门8、蒸汽阀门4、水蒸汽产生器5，所述四通阀门7分别连接高压气瓶组6和气体阀门8，所述蒸汽阀门4连接水蒸汽产生器5；
7.所述数据采集模块包括计算机1、高速摄像机17、光电二极管18、压力传感器19，所述高速摄像机17、光电二极管18、压力传感器19均连接于计算机1；
8.所述定容激光点火模块包括co2激光器2、光路系统3、定容燃烧室10、观察窗12、固体推进剂药柱13、药柱支座14、排气阀23，所述光路系统3连接co2激光器2，所述co2激光器2连接计算机1，所述定容燃烧室10顶部设有激光入口窗，左右两侧壁上设有观察窗12和排气口，所述排气口与排气阀23连接，底部设有通孔，所述固体推进剂药柱13设置于药柱支座14
上并通过通孔内置于定容燃烧室10；所述定容燃烧室10侧壁上设有气体入口9，所述气体阀门8和蒸汽阀门4通过管道连接于气体入口9；
9.所述燃烧团聚产物收集模块包括干式淬火圆盘11、湿式收集盘15、收集介质16、电机21，所述干式淬火圆盘11和定容燃烧室10内侧壁铰接，所述电机21设置于定容燃烧室10外部，所述干式淬火圆盘11和电机21电性连接，所述湿式收集盘15设置于定容燃烧室10底部，内装有液体收集介质16。
10.进一步的，所述所述定容燃烧室10侧壁上设有取样口，所述取样口可通向干式淬火圆盘11和湿式收集盘15。
11.进一步的，所述高速摄像机17设置于定容燃烧室10外部，并可通过观察窗12拍摄到固体推进剂药柱13。
12.进一步的，所述高压气瓶组6包括多种不同气体的高压气瓶。
13.进一步的，所述高压气瓶组6的每个高压气瓶上设有对应的气体计量仪表。
14.进一步的，所述固体推进剂药柱13可根据需求设置其高度。
15.进一步的，所述收集介质为水或油脂。
16.进一步的，所述电机21为直流电机。
17.进一步的，所述干式淬火圆盘11表面涂有硼硅酸盐。
18.一种复杂气体条件下含铝固体推进剂燃烧团聚产物干湿式收集方法，其特征在于：包括以下步骤：
19.第一步，设置燃烧室内气体环境，所述环境气体控制模块中的高压气瓶组6和水蒸汽产生器5产生不同组分的复杂混合气体，经过四通阀门7、气体阀门8和蒸汽阀门4输送到定容燃烧室10，同时也可启动水蒸汽产生器5，将一定流量的水蒸汽通过蒸汽阀门4的管道输送到定容燃烧室10中；
20.第二步，通过燃烧室内侧壁上的压力传感器19监测，尾部排气口上的排气阀23自动控制达到恒定的预期实验压力；
21.第三步，所述定容激光点火模块的计算机1控制co2激光器2中输出预定功率的激光束，所述光路系统3调节激光束方向和光斑直径，使其通过所述定容燃烧室10的顶部激光入口窗点燃固体推进剂药柱13；同时，启动数据采集模块，采集实验过程中相关实验数据；
22.第四步，根据数据采集模块采集到的数据，当固体推进剂药柱13达到稳定燃烧后，所述计算机1控制co2激光器2终止激光输出；
23.第五步，通过燃烧室外侧壁的电机21控制干式淬火圆盘11由淬火圆盘停放位置20匀速旋转到固体推进剂药柱13上端的淬火圆盘工作位置22，使燃烧团聚产物淬火凝结在干式淬火圆盘11，产生的液体燃烧团聚产物落至湿式收集盘15；
24.第六步，所述固体推进剂药柱13燃烧结束后，通过排气阀23降压排气，取出干式淬火圆盘11和湿式收集盘15，对干、湿不同状态下的燃烧团聚产物进行后续处理和分析。
25.有益效果：与现有技术相比，本发明通过环境气体控制模块，能够实现模拟固体燃料冲压发动机中固体推进剂燃烧所产生的高压复杂气体环境；采用干式和湿式两种收集方法并用，实现不同位置的含铝固体推进剂燃烧团聚产物取样，实现对比分析收集方法对燃烧团聚产物理化性能的影响；与现有收集方法和装置相比，可减少实验误差，提高实验结果的可信性和准确性，结构简单，安全可靠，便于日常操作和维护。
附图说明
26.图1为本发明收集装置总体结构示意图。
27.图2为本发明定容燃烧室结构示意图。
28.图中：1、计算机；2、co2激光器；3、光路系统；4、蒸汽阀门；5、水蒸汽产生器；6、高压气瓶组；7、四通阀门；8、气体阀门；9、气体入口；10、定容燃烧室；11、干式淬火圆盘；12、观察窗；13、固体推进剂药柱；14、药柱支座；15、湿式收集盘；16、收集介质；17、高速摄像机；18、光电二极管；19、压力传感器；20、淬火圆盘停放位置；21、电机；22、淬火圆盘工作位置；23、排气阀。
具体实施方式
29.为了便于理解本装置，下面将参照附图对本装置进行更加全面的描述。本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例。相反的，提供实施例是为了使本装置公开的内容更加透彻全面。
30.如图所示，一种复杂气体条件下含铝固体推进剂燃烧团聚产物干湿式收集装置，包括：复杂环境气体控制模块、数据采集模块、定容激光点火模块和燃烧团聚产物收集模块。
31.所述环境气体控制模块包括高压气瓶组6、四通阀门7、气体阀门8、蒸汽阀门4、水蒸汽产生器5。所述四通阀门7分别连接高压气瓶组6和气体阀门8，所述蒸汽阀门4连接水蒸汽产生器5。所述高压气瓶组6由多种不同气体的高压气瓶组成，每个高压气瓶上设有对应的气体计量仪表，可通过气体计量仪表和四通阀门7实现灵活配比不同组分的混合气体。
32.所述数据采集模块包括计算机1、高速摄像机17、光电二极管18、压力传感器19，所述高速摄像机17、光电二极管18、压力传感器19均连接于计算机1。
33.所述定容激光点火模块包括co2激光器2、光路系统3、定容燃烧室10、观察窗12、固体推进剂药柱13、药柱支座14、排气阀23，所述光路系统3连接co2激光器2，所述co2激光器2连接计算机1，所述定容燃烧室10顶部设有激光入口窗，左右两侧壁上设有观察窗12，前壁设有排气口与排气阀23连接，底部设有通孔，所述固体推进剂药柱13设置于药柱支座14上并通过通孔内置于定容燃烧室10；所述定容燃烧室10侧壁上设有气体入口9，所述气体阀门8和蒸汽阀门4通过管道连接于气体入口9。
34.所述燃烧团聚产物收集模块包括干式淬火圆盘11、湿式收集盘15、收集介质16、电机21，所述干式淬火圆盘11和定容燃烧室10内侧壁铰接，所述电机21设置于定容燃烧室10外部，所述干式淬火圆盘11和电机21电性连接，所述湿式收集盘15设置于定容燃烧室10底部，内装有液体收集介质16，收集燃烧后落下的团聚产物。所述收集介质16可以为水，也可以为油脂。干式淬火圆盘11的初始位置为淬火圆盘停放位置20，固体推进剂药柱稳定燃烧并激光加载结束后，由电机21控制干式淬火圆盘11匀速旋转到药柱上端的淬火圆盘工作位置22，推进剂燃烧产生的团聚产物在涂有硼硅酸盐的干式淬火圆盘11表面上淬火凝结。所述硼硅酸盐具有良好的热稳定性和化学稳定性，不易因高温和自身的化学属性使燃烧产生的团聚产物发生变化，影响实验结果。所述所述定容燃烧室10侧壁上设有取样口，所述取样口可通向干式淬火圆盘11和湿式收集盘15对燃烧团聚产物取样。所述电机21为直流电机。
35.所述水蒸汽产生器5所产生的水蒸气经过蒸汽阀门4，不同组分的气体通过气体阀
门8由管道连接于燃烧室气体入口9，进入到定容燃烧室10内并形成一定的压力。
36.所述计算机1控制co2激光器2中输出预定功率的激光束，经过光路系统3调节激光束方向和光斑直径，使其通过所述定容燃烧室10的顶部窗口进入燃烧室点燃固体推进剂药柱13。所述排气阀23自动控制实现定容燃烧室10内的预期恒定压力。
37.所述光电二极管18放置于定容燃烧室10的内侧壁，用于检测固体推进剂药柱13点火后的火焰信号，将光信号转换为电信号传输到计算机1中，作为检测点火延迟和激光加载时间的依据之一。所述高速摄像机17设置于定容燃烧室10外部，并可通过观察窗12拍摄到固体推进剂药柱13。透过定容燃烧室10左右侧壁的观察窗12，使用高速摄像机17记录固体推进剂药柱13的燃烧过程，结合光电二极管18检测到的数据，综合判断固体推进剂药柱13点火且稳定燃烧后终止激光加载。所述压力传感器19检测定容燃烧室10内的压力，并将检测到的实验数据传输到计算机1。
38.所述固体推进剂药柱13可根据需求设置不同的高度。由于干式淬火圆盘11设置在固体推进剂药柱13燃烧火焰的上方，通过固体推进剂药柱13的高度不同，使得所述干式淬火圆盘11离固体推进剂药柱13燃烧表面的距离也不同，以此来实现不同位置的含铝固体推进剂燃烧团聚产物取样，对比分析收集方法对燃烧团聚产物理化性能的影响。
39.一种复杂气体条件下含铝固体推进剂燃烧团聚产物干湿式收集方法，包括以下步骤：
40.第一步，设置燃烧室内气体环境，所述环境气体控制模块中的高压气瓶组6和水蒸汽产生器5产生不同组分的复杂混合气体，经过四通阀门7、气体阀门8和蒸汽阀门4输送到定容燃烧室10，同时也可启动水蒸汽产生器5，将一定流量的水蒸汽通过蒸汽阀门4的管道输送到定容燃烧室10中，在燃烧室中形成类似于国体推进剂热解气体组分的气体环境。
41.第二步，通过燃烧室内侧壁上的压力传感器19监测，尾部排气口上的排气阀23自动控制达到恒定的预期实验压力；
42.第三步，所述定容激光点火模块的计算机1控制co2激光器2中输出预定功率的激光束，所述光路系统3调节激光束方向和光斑直径，使其通过所述定容燃烧室10的顶部激光入口窗点燃固体推进剂药柱13；同时，启动数据采集模块，采集实验过程中相关实验数据；
43.第四步，根据数据采集模块采集到的数据，当固体推进剂药柱13达到稳定燃烧后，所述计算机1控制co2激光器2终止激光输出；
44.第五步，通过燃烧室外侧壁的电机21控制干式淬火圆盘11由淬火圆盘停放位置20匀速旋转到固体推进剂药柱13上端的淬火圆盘工作位置22，使燃烧团聚产物淬火凝结在干式淬火圆盘11，产生的液体燃烧团聚产物落至湿式收集盘15；
45.第六步，所述固体推进剂药柱13燃烧结束后，通过排气阀23降压排气，取出干式淬火圆盘11和湿式收集盘15，对干、湿不同状态下的燃烧团聚产物进行后续处理和分析。
46.在上述实施例中可以实现全部功能，或根据需要实现部分功能。
47.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本装置对各种可能的组合方式不再另行说明。