基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置
阅读说明：本技术 基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置 (Constant-speed sampling-based composite propellant combustion product condensed phase particle collecting device ) 是由 李军伟 覃生福 贺业 汪琪 王宁飞 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置,属于固体火箭技术领域。本发明是一种具有冷却燃气功能的管路和具有凝聚相颗粒质量大小分离收集功能的收集装置,主要由燃气发生器、冷却系统和收集系统组成,收集系统主要由旋风收集器和水集收集器组成。本发明通过控制气流平衡,对放入双喷管燃气发生器的固体复合推进剂进行等速燃气颗粒收集；在燃气颗粒收集过程中对外管路加水流实现对高温气流冷却作用；并通过旋风收集器和水集收集器实现不同质量大小的凝聚相颗粒分级收集。本发明便于进一步分析燃烧产物氧化铝颗粒的直径、质量和燃气含量比,为改进固体复合推进剂性能,解决相关技术问题提供支撑。(The invention discloses a constant-speed sampling-based composite propellant combustion product condensed phase particle collecting device, and belongs to the technical field of solid rockets. The invention relates to a pipeline with a fuel gas cooling function and a collecting device with condensed phase particle mass and size separating and collecting functions. The invention collects the constant speed gas particles of the solid composite propellant put into the double-nozzle gas generator by controlling the air flow balance; water flow is added to an external pipeline in the process of collecting the fuel gas particles to realize the cooling effect on high-temperature air flow; and the cyclone collector and the water collector are used for realizing the fractional collection of condensed phase particles with different mass sizes. The invention is convenient for further analyzing the diameter, the mass and the fuel gas content ratio of the alumina particles of the combustion products, and provides a support for improving the performance of the solid composite propellant and solving the related technical problems.)
技术领域
本发明属于固体火箭技术领域，涉及一种基于等速采样的固体复合推进剂燃气颗粒收集装置。
技术背景
随着航天事业的发展，高能复合推进剂被广泛应用到固体火箭发动机中。复合推进剂燃烧过程中产生大量的凝聚相颗粒产物，凝相颗粒含量、形态和粒度分布对固体火箭发动机燃烧能量和稳定性具有重要的影响。但是由于燃气通道环境恶劣，无法直接测量和分析凝聚相颗粒性能，因此如何收集固体复合推进剂燃烧产生的燃气羽流颗粒并对颗粒进行分析成为国内外研究的重点。
传统的凝相颗粒收集方法为水集法或在固体火箭发动机尾部安装网罩的细网拦截法，但这些收集颗粒方法直接对尾部喷出的高温燃气羽流进行收集，导致收集过程中凝聚相颗粒在高温条件下出现团聚、剧烈碰撞等情况，而且也无法进行燃气羽流颗粒等速取样收集，导致无法预估燃气羽流凝聚相颗粒质量比例，所以需要设计一种具有冷却功能的等速收集固体复合推进剂燃气羽流颗粒的实验装置。
发明内容
本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置所要解决的技术问题是：控制气流平衡，对放入双喷管燃气发生器的固体复合推进剂进行等速收集燃气颗粒；在燃气颗粒收集过程中对外管路加水流实现对高温气流冷却作用；并通过旋风收集器和水集收集器实现不同质量大小的凝聚相颗粒分级收集。本发明便于进一步分析燃烧产物凝聚相颗粒的直径、质量和燃气含量比，为改进固体复合推进剂性能，解决相关技术问题提供支撑。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置，是一种具有冷却燃气功能的管路和具有凝聚相颗粒质量大小分离收集功能的收集装置，主要由燃气发生器、冷却系统和收集系统组成。
燃气发生器发生器为圆柱形，包括后封头、挡药板口、前封头、传感器、点火器、L型喷管和安全阀。前封头外部呈方便工装的六角凸台型；前封头和挡药板对推进剂进行固定，防止固体推进剂燃烧时振动；后封头两侧安装两个用于避开采样管路的L型喷管，实现采样管入口流量恒定并且减少燃气羽流与外部水流冷却管接触；燃烧室上部设有传感器和安全阀；后封头中心开有螺纹口，燃烧器与深入其中的冷却管螺纹连接，采样管前端安装喇叭型进气口。
冷却系统包括采样管、水流冷却管和电磁阀；水流冷却管包裹采样管，左端与采样管喇叭形进气口螺纹连接，采样管与冷却管焊接为一体；冷却管为双层管路流动冷却，提高采样管中燃气冷却效率；出水口位于管路右侧上端，进水口位于管路右侧下端，进出水管口内设有螺纹，与进水管路螺纹连接；右端采样管接入电磁阀，通过控制采集管路通闭实现控制铝颗粒收集时间。
收集系统主要由旋风收集器和水集收集器组成。旋风收集器入口设计为切向入口，收集器上部分为圆柱形，下部分为圆锥形，方便颗粒分离，旋风室底部螺纹连接收集盒，收集燃气中的质量较大的氧化铝颗粒；旋风收集器端盖与旋风室通过螺纹固定。旋风收集器出气管和水集收集器通过U型弯管连接，实现两收集器互通。水集收集器上包含压力传感、出气阀；水集收集器装有水，作为铝颗粒收集载体，收集未落入收集盒中的较小氧化铝颗粒。
作为优选，所述的燃气采样管和喇叭型进气口采用耐高温、强度高、抗热震的耐热材料制成；所述电磁阀具备耐高温、耐冲击性能；所述旋风收集器、水集收集器及相关材料均采用耐高温材料制成。
作为优选，电磁阀外部接有控制器，实现对管路采集的控制作用；传感器连接信号采集系统以及PC主机，实现燃烧室和水集收集器内压力监测。
作为优选，为实现收集过程中对燃气冷却，冷却管与外部供水管路系统相连。
本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置的工作方法为：点火瞬态完毕后，打开电磁阀，燃气通过喇叭形进气口进入采样管；冷却管中水流对采样管中的燃气进行冷却，降低燃气温度；收集器入口与旋风室相切，燃气从收集器入口进入旋风室，燃气贴近壁面螺旋向下；由于受到重力和容器壁面摩擦力作用，燃气中质量较大凝聚相颗粒落入收集盒；燃气携带较小凝聚相颗粒通过U型连接管进入水集收集器，燃气中的凝聚相颗粒被滞留在水中，燃气气泡升出水面，最后燃气通过出气阀排出大气；出气阀气孔直径与燃烧器喷管中的喷喉直径相同，出气阀排气速度与燃烧器喷管排气速度相同，在燃气颗粒收集过程中对外管路加水流实现对高温气流冷却作用；并通过旋风收集器和水集收集器实现不同质量大小的凝聚相颗粒分级收集。两个压力传感器监测水集室和燃烧室压力，以此判断燃气颗粒收集是否正常。
作为优选，根据颗粒收集时间的不同，调节电磁阀开闭，实现不同时间段的颗粒收集。
作为优选，根据基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集结果，进一步分析燃烧产物氧化铝颗粒的直径、质量和燃气含量比，为改进固体复合推进剂性能，解决相关技术问题提供支撑。
有益效果：
1、本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置，通过使用水集收集器和旋风收集器，实现不同燃气颗粒质量大小分两层收集，避免大质量氧化铝颗粒在水中溶解后出现团聚问题。
2、本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置，通过引入冷却水对燃气进行冷却，减轻过热燃气损坏收集装置，提高装置使用寿命，同时解决高温过热颗粒与水反应导致原始形态被破坏的难题。
3、本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置，通过设定出气阀出口直径与燃烧器喷管直径相同，控制气流平衡，实现排气速度相同，对放入双喷管燃气发生器固体复合推进剂进行等速收集燃气颗粒；通过使用电磁阀，控制收集时间，能够等速收集推进剂燃烧过程某一时间段燃气颗粒，提高后续研究的便捷性。
4、本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置，根据基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集结果，进一步分析燃烧产物氧化铝颗粒的直径、质量和燃气含量占比，为改进固体复合推进剂性能，解决相关技术问题提供支撑。
附图说明
图1为燃烧器半剖结构示意图；
图2为冷却装置半剖结构示意图；
图3为收集装置半剖结构示意图；
图4为旋风室俯视示意图；
图5为本发明公开的基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置的半剖示意图；
其中1-前封头、2-复合推进剂、3-壳体、4-绝热层、5-挡药板、6-安全阀、7-点火器、8-传感器、9-垫圈、10-绝热层、11-喷喉、12-喷喉、13-后封头、14-L型喷管、15-L型喷管、16-连接口、17-喇叭型进气口、18-采样管、19-连通孔、20-内层冷却管、21-外层冷却管、22-进水口、23-出水口、24-电磁阀、25-切向进气口、26-旋风收集器端盖、27-旋风室、28-收集盒、29-U型管、30-传感器、31-水集收集器端盖、32-水集室、33-出气阀、34-水。
具体实施方式
为了更好的说明基于等速采样的固体复合推进剂燃气颗粒收集试验装置连接关系和工作过程，下面结合图1、图2、图3、图4和图5对其具体实施例来对本发明进一步说明。
连接组成关系
如图1所示，基于等速采样的固体复合推进剂燃气颗粒收集试验装置，是一种具有冷却燃气功能的管路和具有凝聚相颗粒质量大小分离收集功能的收集装置，主要由燃气发生器、冷却系统和收集系统组成。
燃气发生器发生器为圆柱形，包括前封头1、复合推进剂2、壳体3、绝热层4、挡药板口5、安全阀6、点火器7、传感器8、垫圈9、绝热层10、喷管11、喷喉12、后封头13、L型喷管14、L型喷管15、连接口16。前封头1与燃烧器壳体3螺纹连接，并在螺纹出口处加入橡胶圈进行密封；前封头1左端外部设计凸出部分为六角型，方便工装；前封头1和挡药板5对复合推进剂2固定，挡药板5为花瓣形孔状，方便燃气流出；绝热层4紧贴壳体3，防止壳体3被烧蚀；后封头13与壳体3螺纹连接，并在螺纹出口处加入橡胶圈进行密封；后封头13对称安装喷喉11和喷喉12，喷喉前端安装有绝热层10，防止后封头13被烧蚀；喷喉11和喷喉12分别螺纹连接有排气L型喷管14和排气L型喷管15；后封头13中心开有螺纹连接孔，部分冷却装置伸入燃烧室。
如图2所示，所述冷却系统包括喇叭形进气口17、采样管18、连通孔19、内层冷却管20、外层冷却管21、进水口22、出水口23、电磁阀24。冷却系统深入燃烧室适当位置，如图5所示，外层冷却管21与连接口16螺纹连接，实现燃气颗粒采样；如图2所示采样管18外部包裹内层冷却管20和外层冷却管21，采样管前端螺纹连接有喇叭形进气口17，用于收集燃气；进水口22与内层冷却管焊接，出水口23与外层冷却管焊接，水流通过连通孔19实现由内层冷却管向外层冷却管流动来冷却燃气。采样管右端接入电磁阀，控制采集燃气颗粒时间。
如图3所示、收集系统包括切向进气口25、旋风收集器端盖26、旋风室27、收集盒28、U型管29、传感器30、水集收集器端盖31、水集室32、出气阀33、水34。收集装置主要由旋风收集器和水集收集器两个收集器组成。切向进气口25左端连接电磁阀24，如图5所示。旋风收集器上部分为圆柱形，下部分为圆台形，切向进气口25切向进入旋风室27，如图4为进气口25与旋风室俯视图。旋风室27上端与端盖26螺纹连接，下端与收集盒28螺纹连接；旋风收集器端盖26和水集收集器端盖31中心开有螺纹孔，U型管29穿过螺纹孔实现旋风收集器和水集收集器连通；水集收集器端盖31左端安装有传感器30，用于监测水集室32压力；水集收集器端盖31右端装有出气阀33，用于排出水集室32内气体；水集室内装有适量水34，用于收集燃气中的凝聚相颗粒。
本实施例公开的基于等速采样的固体复合推进剂燃气颗粒收集试验装置的工作方法为：将燃烧器、采样系统和收集系统连接好后，传感器8和传感器30外接采集系统连接，电磁阀24外接控制系统连接，冷却管进水口22和出水口23外接供水管路系统，开始供水；点火器7开始点火，复合推进剂2燃烧产生大量燃气；部分燃气通过前封头13上的两侧L型喷管14和L型喷管15排出大气，另一部分燃气通过喇叭形进气口17进入采样管18，同时传感器8监测燃烧室内压力；等待初始燃烧瞬态过去后，打开电磁阀24，燃气在采样管18流动过程中受到内层冷却管20和外层冷却管21冷却作用温度降低；低温燃气通过采样管18后由切向进气口25进入旋风室27，燃气贴近旋风室壁面螺旋下降，受到壁面摩擦力和重力作用，燃气速度下降，质量较大颗粒掉入收集盒28中；过滤掉质量较大颗粒的燃气通过U型管29进入水集室32，燃气中剩余颗粒被滞留在水34中，最后没有携带颗粒的燃气升出水面后从出气阀33排出；同时传感器30监测水集室内压力，检测压力是否正常；待收集颗粒完毕，关闭电磁阀24。
根据基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集结果，进一步分析燃烧产物氧化铝颗粒的直径、质量和燃气含量比，为改进固体复合推进剂性能，解决相关技术问题提供支撑。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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