一种基于同步辐射X射线的推进剂燃烧原位监测装置的制作方法

本技术涉及一种同步辐射x射线与原位监测推进剂静态燃烧的装置，具体涉及一种基于同步辐射x射线的推进剂燃烧原位监测装置。

背景技术：

1、通过燃烧，推进剂中的化学能首先转化为热能，产生高温高压燃气，经过喷管膨胀加速，从而将热能转换为动能、燃气高速向后喷出，为发动机提供了一个反作用力，进而产生推力。

2、推进剂本身含有可燃物和氧化剂，能在一定外界能量激发下，可在密闭的隔绝空气的环境中燃烧，这使它区别于普通燃料。推进剂燃烧是同时在气相、液相和固相发生的化学反应和输运过程，比一般的燃气混合物的燃烧更为复杂，它直接影响着武器的弹道性能，加上燃烧过程中存在很多物理化学反应，原位监测推进剂燃烧阶段表界面的动态过程，如各反应中间产物的生成及演变，是充分认识能量转换的过程机理的有效手段，对合理设计高效推进剂至关重要。然而，由于推进剂实际燃烧过程中燃面温度极高(2000℃以上)加上常规的监测手段监测效果的有限，很难从燃烧物质的本质进行分析，导致现阶段对于推进剂燃烧过程中的实时监测处于相对空白的阶段。

3、x射线自发现以来就受到了广泛关注，并在材料科学领域中得到了更多的应用。利用x射线技术可以用来对材料进行定性分析、定量分析、宏观应力分析、晶粒大小和微观应力分析等。因此，x射线分析已经成为了现阶段材料科学领域中必不可少的检测手段。然而，将x射线应用在推进剂燃烧行为的分析现阶段仅限于始态和终态材料的检测，并未具备连续监测推进剂燃烧过程中各物相的结构转变行为的能力，这是由于常规的x射线检测技术强度较低，不具备更佳的检测深度，加上较低的时间分辨率，最终导致了效果不佳。因此，寻找高强度、高时间和空间分辨率的检测技术应用在推进剂的燃烧过程中具有重要意义。

4、同步辐射x射线技术除了具有常规x射线技术的功能外，还具有同步辐射光源的诸多优异特性，如，亮度高、准直性好、频谱连续等，尤其能为微区样品提供更高的信号强度以及良好的空间和时间分辨率。目前公开的专利已关注于同步辐射技术在原位监测方式上的应用，如中南大学公开了一种基于同步辐射xrd的原位xrd电化学检测池(公开号：cn215640964u)，能够适用于微观界面痕量物质物相转化及界面氧化还原反应机理分析的原位在线监测。中国科学技术大学发明了一种用于同步辐射红外测试的原位电化学反应池及检测方法，利用同步辐射红外光源优势，模拟真实的电化学检测环境，实现原位监测。以上设计均证明了同步辐射技术在原位监测化学反应变化中的潜在优势。因此，将同步辐射技术与原位推进剂燃烧检测相结合，能极大程度提升研究者对于推进剂燃烧过程中各组分结构变化的认知，从而更加准确地优化推进剂配方设计。

5、除此之外，从推进剂燃烧的测试装置来说，目前公开的专利更多地关注于模拟推进剂燃烧的各项指标测试，如上海航天化工应用研究所设计了一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统及方法(公开号：cn114252158a)用于监测试样燃烧过程中的实时温度和压力，得到温度-压力的变化关系，从而确定试样在高温下的维持时间，也可用于判断燃烧热测试的准确性；西北工业大学申请了一种高精度固体推进剂燃气生成量测试装置及方法(公开号：cn 111271195a)，用于实时监测所述燃烧室内压强数据；常州大学申请了一种适用于固体推进剂悬浮燃烧的实验装置及方法(公开号：cn 113686920 a)，包括用于引燃固体推进剂的点火燃烧装置、用于输送可燃气体及灭火气体的气体传输装置和监测固体推进剂的燃烧分析装置。尽管这些设计在一定程度上改善了对于推进剂的传统指标的检测方式，但仍然不能实现对于推进剂燃烧行为过程中的监测。同时，高速摄像技术的发展使得能够捕捉到推进剂燃烧过程中微观形貌的变化现象，能够实现图像层面上对于推进剂燃烧的原位监测，对于改善推进剂配方起到了关键的作用，但基于各组分微观结构组成改变的探索在现阶段报道中仍然难以实现。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于同步辐射x射线的推进剂燃烧原位监测装置，以解决现有推进剂燃烧过程中原位监测手段不足，中间反应过程和产物无法准确呈现的问题。

2、为解决存在的技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基于同步辐射x射线的推进剂燃烧原位监测装置，包括透明窗试验系统、增压稳压控制单元、点火控制及采集系统、高速摄像单元和同步辐射x射线单元，所述透明窗试验系统的主体为承压开窗燃烧室，承压开窗燃烧室包括上法兰、中间腔体和下法兰，上法兰和下法兰均为圆形法兰底座，上法兰和下法兰分别安装在中腔体的上下两端并密封，上法兰的底座内设置有药条；中间腔体分为上腔体和下腔体，上腔体内腔为圆柱体，上腔体外部为正方体，正方体的四个面设置有4个窗口，下腔体为圆柱体，下腔体的内腔直径与下腔体的内腔直径一致；中间腔体内设置有压强传感器；所述承压开窗燃烧室的下法兰设置有进气端口，进气端口通过进气管与增压稳压控制单元中的控制柜的进气阀一端连接，进气阀另一端与充氮车连接；所述承压开窗燃烧室的上法兰设置有四个端口，1号端口通过管道与增压稳压控制单元中的缓冲瓶瓶口连接；2号端口通过管道与液氮瓶连接，用于熄火试验；3号端口通过管道与增压稳压控制单元中的控制柜的排气阀相连；4号端口与压强传感器连接并与点火控制及采集系统连接，实现对承压开窗燃烧室内压强的实时监测；所述点火控制及采集系统包括点火接线柱和时间采集系统，点火接线柱与上法兰的底座内的药条，实现上法兰底座内药条点火控制；时间采集系统与压强传感器连接并将采集的信息传送给控制柜。所述承压开窗燃烧室的一侧窗口与高速摄像单元正对，相临的另一窗口与同步辐射x射线单元正对。

3、进一步地，本发明所述推进剂燃烧原位监测装置还包括安全控制单元，安全控制单元包括安全阀和排气阀，安全控制单元安装在1号端口与缓冲瓶连接的管道上。

4、进一步地，本发明还公开了一种推进剂燃烧原位监测方法，具体过程如下：

5、步骤一：制作试样并进行预处理后，将试样绑置于上法兰的底盖接线柱上；

6、步骤二：将绑好试样的上法兰装入承压开窗燃烧室内，并做好密封措施；

7、步骤三：打开高压缓冲瓶和充氮车开关，利用控制柜上的阀体对承压开窗燃烧室进行增压，达到需要测试的压强条件后停止；

8、步骤四：打开同步辐射x射线单元的x射线光源，将x射线光束送至透明窗试验系统；

9、步骤五：在不同时段将x射线光束穿过承压开窗燃烧室内试样的燃烧空间，进行定性定量分析；

10、步骤六：试样燃烧结束后关闭同步辐射x射线单元的x射线光源，关闭充氮车开关，关闭高压缓冲瓶开关，打开控制柜上的排气阀，承压开窗燃烧室内气体排尽后，将上法兰的底盖进行拆卸，收集燃烧后的残渣，做进一步的对比分析。

11、本发明通过同步辐射x射线技术结合高速摄像技术的方式，从宏观和微观同时介入，实时反应推进剂燃烧过程中各组分的反应状态、化学结构的变化和转换过程、最终产物的结构形态等。

12、本发明的同步辐射技术是速度接近光速(v≈c)的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，是具有从远红外到x光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。截止目前，同步辐射技术在装置的改造和测试方法上经历了三代的发展，已经成为现阶段大多数功能材料和催化剂类材料结构表征的必须手段。

13、本发明的同步辐射具体测试项目主要包括x射线吸收谱(xanes和exafs)、x射线光电子能谱(pes)、x射线小角散射(saxs)和掠入射小角散射(gisaxs)、x射线反射(xrr)、x射线散射(xrd)、掠入射衍射(gixrd)、x射线形貌术(xrt)、x射线荧光分析(xrf)和x射线真空紫外谱和磁源二色等。

14、有益效果

15、本装置整体设计实现了高速摄像技术和同步辐射x射线技术的同步采集测试，从宏观到微观分析了不同气氛条件下，不同配方推进剂燃烧过程的详细演变历程，将推进剂燃烧过程实时监测更准确。同步辐射x射线技术的应用可以对不同配方的推进剂组分元素组成、电子态、化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团、晶体变化及结构、燃烧产物的化学组成及含量等细观过程实时监测。燃烧后的气体和产物收集可以进行对比分析，更具说服力。