阅读说明：本技术 一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置 (Comprehensive experimental device for research on fire behavior and combustion characteristics under overweight environmental conditions ) 是由 王强 闫瑾 朱耘瑞 李�浩 唐飞 石琴 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置,包括高精度离心搭载平台、耐压实验载荷舱室、载荷舱气氛调节系统和燃烧实验装置,其中通过高精度离心搭载平台可以实现1-30g范围内不同水平连续变化的超重环境；耐压实验载荷舱室用于搭载燃烧实验装置；载荷舱气氛调节系统通过气源接口与耐压实验载荷舱室内部连接,实现气压和气氛的调节；燃烧实验装置则用于布置实验所需的设备,并通过高速摄像机、热电偶和烟气分析传感器等实现燃烧行为图像的记录,火焰温度的测量和燃烧产物浓度的测量。该装置不仅能够用于研究气体燃料的燃烧行为,也可以搭载固体和液体燃烧行为研究实验系统,研究不同类型燃料在超重环境下的燃烧行为。(The invention discloses a comprehensive experimental device for researching fire behavior and combustion characteristics under an overweight environment condition, which comprises a high-precision centrifugal carrying platform, a pressure-resistant experimental load cabin, a load cabin atmosphere adjusting system and a combustion experimental device, wherein the overweight environment with different levels changing continuously in the range of 1-30g can be realized through the high-precision centrifugal carrying platform; the pressure-resistant experiment load cabin is used for carrying a combustion experiment device; the load cabin atmosphere adjusting system is connected with the inside of the pressure-resistant experiment load cabin through an air source interface to realize the adjustment of air pressure and atmosphere; the combustion experiment device is used for arranging equipment required by the experiment, and recording combustion behavior images, measuring flame temperature and measuring the concentration of combustion products through a high-speed camera, a thermocouple, a flue gas analysis sensor and the like. The device not only can be used for studying the combustion behavior of gas fuel, but also can carry on solid and liquid combustion behavior research experiment system, study the combustion behavior of different types of fuel under overweight environment.)

一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置

技术领域

本发明涉及载人航天防火安全领域，尤其涉及一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置。

背景技术

空间科学技术作为我国重点发展的方向之一，近年来得到了快速发展。然而，与我国高速发展的空间技术相比，我国在航天器防火技术方面，仍与国际先进水平存在较大差距。由于航天器火灾会严重威胁航天员以及航天器的安全，所以其被视为空间探测，特别是载人航天技术中必须解决的重要问题之一。

对于载人航天飞行器，其升空时刻最危险(超重)。这个阶段，飞行器是在高温、高压、强振动等恶劣环境中工作的，极易发生火灾事故。美国挑战者号航天飞机和俄罗斯联盟号飞船，在升空阶段均发生过火灾事故，甚至导致了机毁人亡的严重后果。由此可见，航天器升空阶段超重条件下的火灾安全对航天技术的发展也是至关重要的。美日等发达国家已对此开展了一定的初步研究，发现超重环境对火灾及燃烧行为有显著的影响。然而，我国对此的相关研究仍十分匮乏。基于此，本发明提供了一个超重环境火灾行为及燃烧特征实验装置，用于研究航天器升空阶段超重环境下火灾行为与燃烧特征，为航天器防火技术开发提供科学理论支撑。

发明内容

本发明提供一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置，用于研究航天器升空阶段，复杂的超重环境下的火灾动力学行为特征，为航天器防火提供科学理论支撑，有助于开发航天器火灾防控技术。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置，包括高精度离心搭载平台、耐压实验载荷舱室、载荷舱气氛调节系统和燃烧实验装置，其中实验系统搭载于耐压实验载荷舱室内，用于开展不同类型燃料(固体、气体和液体)在超重环境下的燃烧行为研究实验；

所述高精度离心搭载平台部分，包括高精度数控电机、大载荷高精度离心机架、不同大小系列配重、耐压实验载荷舱室、上下固定轴承、传动链条及齿轮，所能产生的超重力环境为1-30g，用于提供模拟航天器升空阶段燃烧行为实验研究所需要的超重环境；大载荷高精度离心机架由高强度不锈钢制成，能够承载大载荷条件下的耐压实验载荷舱室和不同大小的配重；

所述高精度离心搭载平台部分，由上下固定轴承固定在上下天花板之间，高精度数控电机通过齿轮和传动链条驱动离心机架转动，带动配重和耐压实验载荷舱室做离心运动；

所述高精度数控电机，由计算机通过PLC控制，可以将需要的电机转动速度通过电脑输入，并通过PLC将指令传达到变频器，来实现电机转速的控制；

所述耐压实验载荷舱室，用于搭载燃烧实验装置，其中一面留有可开闭门，舱室壁面为不锈钢，舱壁留有信号、电源和气源接口；

所述载荷舱气氛调节系统，通过气源接口与实验舱内部连接。在实验前，由计算机根据实验需要设定气压值，并将指令发送到PLC，由PLC控制真空泵/加压泵，从而对舱室内的压力进行控制，压力可调范围为0.3-3atm；另外，如果需要改变舱内的气体组分，则先通过真空泵将舱室内抽到一定的真空度，然后同样由PLC控制流量计的流量，根据实验要求充入N₂、O₂以及CO₂气体，达到改变气体氛围的目的；充气前，气源分别由充入N₂、O₂和CO₂气体的钢瓶提供，通过不锈钢耐压管道连接减压阀和质量流量计来控制，并在混合腔室按照比例进行混合，而后通过管道输送到耐压实验载荷舱室中；舱内布置压力和气体浓度传感器，监测舱内压力和各组分气体浓度。当气压和气氛达到实验要求后，将气氛调节系统、真空泵/加压泵与耐压实验载荷舱室断开后撤离，并将实验舱密封；

所述燃烧实验装置，布置在耐压实验载荷舱室内部，包括燃料气瓶、减压阀、质量流量计、燃烧器、点火器、热电偶、高速摄像机、在线监控镜头、烟气分析传感器和照明LED灯光；这些设备分三层固定在舱室内部，其中两组燃料气瓶和减压阀固定在最底层，质量流量计固定在中间层，其余设备均布置在最上层。

所述烟气分析传感器位于舱室的顶部，火源正上方位置，用于检测燃烧产物NOx、CO和CO₂的浓度；所述热电偶，用于测量火焰温度，布置于火焰中轴线上，等间距竖向布置；所述在线监控镜头，用于实时监控实验过程中火焰的状态；这三个部分，均和无线数据收发装置相连，可以实时将数据传输给数据采集电脑；

所述点火器，由计算机远程控制的步进电机控制。实验前，将点火器电热丝旋转至燃烧器喷口上部，由直流电源给电热丝供电，点着燃料后，步进电机将电热丝移出喷口位置。

进一步的，所述实验装置通过离心的方式实现超重的目的。

进一步的，所述实验装置通过数控电机改变旋转速度的方式实现不同水平的超重环境。

进一步的，所述实验装置不仅能够开展超重环境下的气体火实验研究，还能改变实验系统，使其能够开展固体和液体燃料在超重环境下的燃烧行为实验研究。

进一步的，所述实验装置不仅能够拍摄火焰图像、测量火焰温度和燃烧产物浓度，也可以布置一些小型化的流场显示和激光诊断设备，实现流场和燃烧OH和CH等自由基的测量。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本实验装置可以实现超重环境下火灾行为及燃烧特征的研究，重力范围在1-30g范围内连续可调，实现对航空航天火灾行为的实验研究；

2.本实验装置利用气氛调节系统，能够改变耐压实验载荷舱室的气压和气氛，实现不同航空器和航天器内气氛环境下火灾和燃烧行为演化规律的研究；

3.本实验装置不仅能够用于研究气体燃料的燃烧行为，也可以搭载固体和液体燃烧行为研究实验系统，使其能够开展不同类型燃料的火灾与燃烧行为机制的研究；

4.本实验装置通过各个子系统的有机组合，可以实现对火焰温度、燃烧产物、燃烧流场、火焰宏观形态、火焰稳定性、材料火蔓延和可燃性等火灾与燃烧关键特征参数与重力环境关系的研究，为航空航天火灾防控提供科学理论支撑；

附图说明

图1是本发明提出的一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置示意图；

图2是所述一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置的实验系统的示意图；

上述附图中，1为高精度离心搭载平台；2为高精度数控电机；3为大载荷高精度离心机架；4为不同大小系列配重；5为耐压实验载荷舱室；6为上下固定轴承；7为传动链条及齿轮；8为PLC；9为控制和数据采集电脑；10为燃烧实验装置；11为载荷舱气氛调节系统；12为真空泵/加压泵；13为质量流量计；14为充入N₂、O₂和CO₂气体的钢瓶；15为减压阀；16为混合腔室；17为燃料气瓶；18为燃料气瓶减压阀；19为燃料质量流量计；20为燃烧器；21为点火器；22为热电偶；23为高速摄像机；24为在线监控镜头；25为烟气分析传感器；26为照明LED灯光；27为无线数据收发装置；28为步进电机。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1，一种超重环境条件火灾行为与燃烧特征研究综合实验装置，包括高精度离心搭载平台、耐压实验载荷舱室、载荷舱气氛调节系统和燃烧实验装置。

高精度离心搭载平台1由高精度数控电机2、大载荷高精度离心机架3、不同大小系列配重4、耐压实验载荷舱室5、上下固定轴承6、传动链条及齿轮7组成，通过离心运动，能产生1-30g连续可调的超重力环境；大载荷高精度离心机架3由高强度不锈钢制成，能够承载大载荷条件下的实验舱和配重；高精度离心搭载平台1由上下固定轴承6固定在上下天花板之间，并由高精度数控电机2通过传动链条及齿轮7驱动其转动，带动配重4和耐压实验载荷舱室5做离心运动；高精度数控电机2，由控制和数据采集电脑9通过PLC8控制，可以将需要的电机转动速度通过电脑输入，并通过PLC8将指令传达到变频器，来实现电机转速的控制；

耐压实验载荷舱室5，为不锈钢密闭舱室，其中一面留有可开闭门，舱壁留有信号、电源和气源接口，用于搭载燃烧实验装置10；

载荷舱气氛调节系统11，由气源供应子系统和压力调节泵两部分组成。气源供应子系统包括充入N₂、O₂和CO₂气体的钢瓶14、减压阀15、质量流量计13和混合腔室16，它们通过不锈钢耐压钢管连接；实验开始前，由控制和数据采集电脑9根据实验需要设定气压值，并将指令发送到PLC8，由PLC控制真空泵/加压泵12，从而对舱室内的压力进行控制，压力可调范围为0.3-3atm；另外，如果需要改变舱内的气体组分，则先通过真空泵12将耐压实验载荷舱室5内抽到一定的真空度，然后同样由PLC8控制质量流量计13的流量，根据实验要求充入N₂、O₂以及CO₂气体，达到改变气体氛围的目的；充气前，气源分别由充入N₂、O₂和CO₂气体的钢瓶14提供，通过管道连接减压阀15和质量流量计13来控制，并在混合腔室16按照比例进行混合，而后通过管道输送到耐压实验载荷舱室5中；舱内布置压力和气体浓度传感器，监测舱内压力和各组分气体浓度。当气压和气氛达到实验要求后，将载荷舱气氛调节系统11、真空泵/加压泵12与耐压实验载荷舱室5断开后撤离，并将实验舱密封；

参见图2，燃烧实验装置10，布置在耐压实验载荷舱室5内部，包括燃料供应子系统和配套测控子系统。燃料供应子系统由燃料气瓶17、燃料气瓶减压阀18、燃料质量流量计19、燃烧器20、点火器21等组成，其中燃料气瓶17、减压阀18、燃料质量流量计19和燃烧器20通过耐压不锈钢管连接，供应气体燃料；点火器21由其下部步进电机28控制；实验前，将点火器21电热丝旋转至燃烧器20喷口上部，由直流电源给电热丝供电，点着后，步进电机将电热丝移出喷口位置；而配套测控子系统则由热电偶22、高速摄像机23、在线监控镜头24、烟气分析传感器25和照明LED灯26组成；热电偶22用于测量火焰温度，布置于燃烧器20喷口上方中轴线上，等间距竖向布置；烟气分析传感器25布置于舱室的顶部，火源正上方位置，用于检测燃烧产物NOx、CO和CO₂的浓度；高速摄像机23用于记录实验过程中的火焰图像；在线监控镜头24，用于实时监控实验过程中火焰的状态；照明LED灯26用于提供照明；热电偶22、在线监控镜头24、烟气分析传感器25均和无线数据收发装置27相连，可以实时将数据传输给数据采集电脑9；这些设备分三层固定在舱室内部，其中两组燃料气瓶17和减压阀18固定在最底层，燃料质量流量计19固定在中间层，其余设备均布置在最上层；

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。