阅读说明：本技术 一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统及方法 (System and method for testing low-temperature ignition capability of igniter for rocket engine ) 是由 唐斌运 郭玉凤 罗帅帅 高强 薛宁 陈雨 杨战伟 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统及方法,解决现有无法验证点火剂在低温下点火功能是否正常的问题。其中系统包括第一管道、试验箱单元、第二管道、点火观察接液槽、高速摄像机；试验箱单元包括高低温试验箱、设置在高低温试验箱内的点火导管、模拟导管；点火导管内设置有点火剂；模拟导管内设置有煤油,并设置温度测点；第一管道进口端接挤破气源,其出口端接点火导管的进口接头；第一管道上设有开关阀、氮气置换单元及流量调节孔板；氮气置换单元用于置换开关阀与点火导管进口接头之间第一管道内的空气；第二管道进口端接点火导管的出口接头,其出口端伸入点火观察接液槽；高速摄像机用于拍摄第二管道出口端的点火情况。(The invention provides a system and a method for testing the low-temperature ignition capability of an igniter for a rocket engine, which solve the problem that whether the ignition function of the igniter at low temperature is normal or not can not be verified at present. The system comprises a first pipeline, a test box unit, a second pipeline, an ignition observation liquid receiving tank and a high-speed camera; the test box unit comprises a high-low temperature test box, an ignition guide pipe and a simulation guide pipe, wherein the ignition guide pipe and the simulation guide pipe are arranged in the high-low temperature test box; an ignition agent is arranged in the ignition guide pipe; kerosene is arranged in the simulation conduit, and a temperature measuring point is arranged; the inlet end of the first pipeline is connected with the crushing gas source, and the outlet end of the first pipeline is connected with the inlet joint of the ignition guide pipe; the first pipeline is provided with a switch valve, a nitrogen displacement unit and a flow regulating orifice plate; the nitrogen replacement unit is used for replacing air in a first pipeline between the switch valve and the ignition guide pipe inlet joint; the inlet end of the second pipeline is connected with the outlet joint of the ignition guide pipe, and the outlet end of the second pipeline extends into the ignition observation liquid receiving tank; the high-speed camera is used for shooting the ignition condition of the outlet end of the second pipeline.)

一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统及方法。

背景技术

液氧煤油火箭发动机使用点火剂进行点火，按照发射场要求，冬季进行发射温度可能低于-40℃，为了保证低温条件下发动机的正常工作，需验证此温度下点火剂点火功能是否正常。但目前没有专门对点火剂在低温环境(低于-40℃)点火能力的测试系统，因为迫切需要设计一种测试系统，定性分析低温环境点火剂的点火能力。

发明内容

为了解决现有技术无法验证点火剂在低温下点火功能是否正常的技术问题，本发明提供了一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统，其特殊之处在于：包括第一管道、试验箱单元、第二管道、点火观察接液槽、高速摄像机；

所述试验箱单元包括高低温试验箱、设置在高低温试验箱内的点火导管、模拟导管；所述点火导管内设置有点火剂；所述模拟导管内设置有煤油，并设置有***式温度测点及表面贴片式温度测点；所述高低温试验箱的温度调节能力为-70℃～+150℃；

所述第一管道的进口端接挤破气源，其出口端穿入高低温试验箱后接点火导管的进口接头；

所述第一管道上沿输送方向依次设有开关阀、氮气置换单元及流量调节孔板，且均位于高低温试验箱的外部；所述氮气置换单元用于置换开关阀与点火导管进口接头之间的第一管道内的空气；

所述第二管道的进口端接点火导管的出口接头，其出口端穿出高低温试验箱后伸入所述点火观察接液槽；

所述高速摄像机用于拍摄第二管道出口端的点火情况。

进一步地，所述点火导管采用ZsF10-9点火导管(存发动机试验用点火剂的专用装置)，其主要性能参数如下：

点火导管中点火剂的充填量260±5mL；

点火导管的充填系数K＝0.89；

点火导管的进口接头和出口接头为DN20台阶接头；

点火导管工作压力30MPa，点火导管挤破压力3±0.5MPa。

进一步地，所述高低温试验箱的型号为HRT1070，其主要性能参数如下：

温度调节能力-70℃～+150℃；

标称内容积1000L；

供电要求380V 18kW；

提供2个DN100的管道及线缆进出口。

进一步地，所述开关阀为B0阀；所述流量调节孔板的孔径为1mm。

进一步地，所述点火导管设置有壁温测点。

同时，本发明提供了一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将灌入试验介质的点火导管放入高低温试验箱内；

2)将点火导管的进口接头通过第一管道接高低温试验箱外的挤破气源，其出口接头通过第二管道引出至高低温试验箱外的点火观察接液槽；

3)打开第一管道上的开关阀，挤破气源对点火导管进行挤破，并根据高速摄像机摄像中液体扩散情况，调试流量调节孔板的孔径；

4)将灌装好点火介质的点火导管放入高低温试验箱内，并替换灌入试验介质的点火导管；

同时，将灌入煤油的模拟导管放入高低温试验箱内，模拟导管设置有***式温度测点及表面贴片式温度测点；

5)将高低温试验箱进行降温，观察模拟导管的壁温及模拟导管的内部温度，至模拟导管内的温度达到试验温度，且与壁温一致；

6)使用氮气置换单元置换开关阀与进口接头之间第一管道内的空气；

7)打开开关阀，挤破气源对点火导管进行挤破，根据高速摄像机摄像结果判断点火剂低温点火能力；所述摄像结果包括点火剂扩散形式、扩散后发生燃烧的时间、燃烧的位置、燃烧的剧烈程度。

进一步地，步骤1)和步骤5)中，点火导管的灌装采用膜片，所述膜片采用厚度为1mm的PTFE制作。

进一步地，步骤1)中，所述试验介质为T3介质。

进一步地，其特征在于：所述流量调节孔板的孔径为1mm。

进一步地，步骤4)中，将灌装好点火介质的点火导管安装壁温测点；

步骤5)中，观察点火导管和模拟导管的壁温及模拟导管的内部温度，至模拟导管内的温度达到试验温度，且与壁温一致。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明测试系统通过将点火导管设置在高低温试验箱内，高低温试验箱模拟低温环境，在高低温试验箱内设置的灌装有煤油的模拟导管，通过对模拟导管进行壁温及***温度的对比，可实现点火导管的内部温度与外壁温度基本相符，保证点火剂的温度要求，根据高速摄像机拍摄第二管道出口端的点火情况，来测试点火导管内点火剂点火能力。

2、本发明测试系统中点火导管可设置有壁温测点，为了更准确保证点火导管内点火剂的温度满足试验要求。

3、本发明测试方法首先通过采用氮气对未充装点火导管进行试验介质的挤破试验，调试确定流量调节孔板的孔径(节流方案)，保证试验过程的安全可靠，以及试验中无介质飞溅，验证试验方案的可行性；然后将灌装好点火介质的点火导管和灌入煤油的模拟导管放入高低温试验箱内，进行点火介质的挤破试验，通过高速摄像机拍摄第二管道出口端的点火情况，来测试点火导管内点火剂点火能力。

附图说明

图1是本发明火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统的示意图；

图2是本发明火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统中点火导管的结构示意图；

图3是本发明测试方法中不同冷却时间下点火导管壁面和容腔内的温度分布图；

图4是本发明测试方法中点火导管从开始降温到温度平衡的温度数据下降曲线图；其中，a为煤油导管内部温度，b为煤油导管表面温度，c为点火导管表面温度，d为***环境温度；

图5是本发明测试方法中点火导管挤破时的温度压力数据曲线图；

其中，a和b分别是煤油导管内部温度和表面温度，c是点火导管壁温，d为***环境温度；

图6是本发明测试方法中温度模拟数值结果与实验数据比较图；

其中，曲线a和曲线b为点火导管内壁温度，曲线c为点火导管外壁温度，曲线d为环境温度，曲线e是模拟导管外壁温度，曲线f是模拟导管内壁面温度；

其中，附图标记如下：

1-第一管道，11-开关阀，12-流量调节孔板，13-氮气置换单元，2-试验箱单元，21-高低温试验箱，22-点火导管，221-进口接头，222-出口接头，23-模拟导管，3-第二管道，4-点火观察接液槽，5-高速摄像机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试系统，包括第一管道1、试验箱单元2、第二管道3、点火观察接液槽4、高速摄像机5；试验箱单元2包括高低温试验箱21、设置在高低温试验箱21内的点火导管22、模拟导管23；点火导管22内设置有点火剂；模拟导管23的结构与点火导管22一致，其内设置有煤油，并设置有***式温度测点及表面贴片式温度测点；第一管道1的进口端接挤破气源，其出口端穿入高低温试验箱21后接点火导管22的进口接头221；第一管道1上沿输送方向依次设有开关阀11、氮气置换单元13及流量调节孔板12，且均为位于高低温试验箱21的外部；所述氮气置换单元13用于置换开关阀11与点火导管22进口接头221之间第一管道1内的空气；第二管道3的进口端接点火导管22的出口接头222，其出口端穿出高低温试验箱21后伸入所述点火观察接液槽4；高速摄像机5用于拍摄第二管道3出口端的点火情况。

一、主要设备及其性能指标

1、点火导管22

低温点火能力试验采用ZsF10-9点火导管作为测试对象，ZsF10-9是一种放置火箭点火剂的一种专用存放装置，其结构形式如图2所示，其主要主要性能参数如下：

a)点火导管22中点火剂的充填量260±5mL；

b)点火导管22的充填系数K＝0.89；

c)点火导管22的进口接头221和出口接头222为DN20台阶接头；

d)点火导管工作压力30MPa；导管挤破压力3±0.5MPa；

e)点火导管(22)设置有壁温测点。

2、高低温试验箱21

高低温试验箱21的型号为HRT1070，其主要性能参数如下：

a)温度调节能力-70℃～+150℃；

b)标称内容积1000L；

c)供电要求380V 18kW；

d)提供2个DN100的管道及线缆进出口。

3、高速摄像机5

a)高速摄像机5型号：PCO.dimax HD

b)镜头型号：佳能EF 70-200mm f/2.8L

c)分辨率：1920×1080

d)帧率：500帧/秒

e)动态范围：1600:1

f)快门速度：257μs。

4、氮气置换单元

氮气置换单元13包括设置在第一管道1上的氮气进口阀、与氮气进口阀连通的氮气进料管道、氮气气源。

5、开关阀

开关阀采用B0阀。

6、模拟管的结构与点火导管一致，

二、分析并调整参数

1、高低温箱快速降温导致的温度分层，使得点火导管22内液体温度与箱体表面温度存在偏差。

点火导管22在实际工作中，其低温工作状态主要是受环境温度的影响，在工作时环境温度下降速率较慢，并且持续保持较低的问题，试验时使用高低温箱进行降温，降温速度快，但是保持时间短，不能保证其中心温度和表面温度相符，为了模拟点火剂的实际工作状态，必须对其内外温度分层情况进行理论分析及试验保证。由于点火导管22的结构及其自身的物化特性，不适宜采用***式温度测量方法，为解决此问题，对其内外温差的情况进行分析计算。

计算采用点火导管22壁面初始温度t_w为17℃、环境温度t_∞为-50℃为初始条件；则格拉晓夫数的温差Δt＝t_w-t_∞＝67℃，定性温度t_m＝(t_w+t_∞)/2＝-16.5℃，查表得空气ν＝12.14×10^-6m²/s，Pr＝0.714，格拉晓夫数Gr通过以下公式计算：

其中，α_v＝(273+t_m)，l＝0.048；

计算得到

采用大空间自然对流实验关联式，计算Nu_m：

Nu_m＝C(Gr·Pr)ⁿ

式中:Nu_m为表面传热努赛尔数；液体状态属于层流，取C＝0.48，n＝0.25；

计算得到Nu_m＝0.48*(1.92*10^6*0.714)0.25＝16.4；

传热系数

考虑点火导管22热辐射，辐射传热量随温度变化而变化，根据经验自然对流传热量与辐射传热量相当，近似取7.8W/m²*K，总传热系数15.6W/m²*K；

将上述传热系数设为数值模拟的第三类边界条件，计算得到各时间段导管壁面和容腔内的温度分布如图3所示；

因此，在试验中采用模拟导管23灌装煤油进行比对确认，对比对模拟导管23进行壁温及***温度的对比，间接证明实际点火导管22的内部温度与外壁温度基本相符。同时采用延长时间静置、增加温度交换时间的方式保证点火剂温度达到稳定温度。

2、高速氮气流对点火剂喷出后的影响分析

本试验基于试验条件下无法模拟煤油与液氧同时与点火剂发生碰撞的情况，未采用与发动机相同的点火剂与煤油进入点火区域的方案，采用氮气与点火剂同时进入点火区域的替代方案；若点火剂与大量氮气同时进入点火区域，高速的氮气流会导致点火剂被物化，不能模拟真实过程，并且大面积雾化的点火剂也会给试验现场带来安全隐患。

因此通过调整第一管路的流量调节孔板12的节流方案，进而调节管路的流阻，使用T3(一种专用的以酒精介质为主的清洗剂)介质进行模拟试验，并通过高速摄影进行确认，达到液体和氮气流出时不发生快速雾化的情况，来确定管路的流阻。本实施例中流量调节孔板12的孔径为1mm，以此状态下的系统进行预试验，依据试验结果进行适应性调整以保障了试验安全。

3、试验温度的确定

本实施例的要求是获得-40℃条件下的低温点火能力，考虑到系统的成本及岢岚靶场可能出现的低温条件，参考了我国国内的有记载的气象数据，1969年2月13日黑龙江漠河极端最低气温记录-52.3℃，将高低温箱的温度设定在-53℃。

同时，本实施例提供了一种火箭发动机用点火剂低温点火能力测试方法，包括以下步骤：

步骤一、模拟试验

试验前拟采用空点火导管22进行T3介质的挤破试验，其主要工作流程如下：

1.1)将空的点火导管22进行T3灌装，灌装后的点火导管22放入高低温试验箱21内；将点火导管22的进口接头221通过第一管道1接高低温试验箱21外的挤破气源，其出口接头222通过第二管道3引出至高低温试验箱21外的点火观察接液槽4；

其中，点火导管22的模拟件灌装为简化试验流程，采用替代膜片，膜片使用厚度1mm的PTFE制作；

1.2)将流量调节孔板12安装在第一管路上，进行B0前供气，供应压力4MPa；

1.3)接收到测量系统采集准备好，高速摄像机5准备好的信号后，打开第一管道1上B0阀，挤破气源对点火导管22进行挤破试验；

1.4)通过高速摄像机5摄像摄像中液体扩散情况的结果，进行状态观察，并调试流量调节孔板12的孔径，确定第一管道1上流量调节孔板12的孔径为1mm的节流方案，经调整后的方案达到预期的挤出效果。

流量调节孔板12的孔径为1mm的节流方案，通过验证整个试验过程的安全可靠，试验过程中无介质飞溅，高速摄像机5所拍摄视频，模拟试验的T3介质挤出效果符合试验要求。

步骤二、点火导管22试验

通过T3挤破试验验证了试验方案的可行性及图像可被有效获得后，依据试验对系统调整后进行了点火导管22的点火剂挤破试验，其主要流程如下：

2.1)将已经灌装好点火介质的点火导管22安装壁温测点，安装完毕后放入高低温箱内，将点火导管22的进口接头221通过第一管道1接高低温试验箱21外的挤破气源，其出口接头222通过第二管道3引出至高低温试验箱21外的点火观察接液槽4；通过壁温测点的传感器对温度进行测量；第一管道1和第二管道3及传感器线通过高低温试验箱21两侧的开孔引出高低温试验箱21，并使用海绵材料将开孔其余部分进行封堵；

2.2)将模拟导管23灌装煤油，并放置在高低温试验箱21中，模拟导管(3进行***式温度测点及表面贴片式温度测点的安装。

2.3)高低温试验箱21进行降温，并监测其温度；通过观察各壁温及模拟导管23的内部温度，在保证内部的点火剂温度能充分均匀与壁温基本一致，误差不超过0.1度，并继续恒温时间60分钟。

2.4)氮气置换单元13用0.6MPa氮气对开关阀11与点火导管22进口接头221之间的第一管道1内的空气进行置换；

2.5)接到测量系统采集准备好，控制系统高速摄像机5准备好的信号后，打开B0阀，挤破气源对点火导管22进行挤破；

2.6)获取挤破相关压力，温度及摄像数据，据高速摄像机5摄像点火剂扩散形式及扩散后发生燃烧的时间，燃烧的位置及燃烧的剧烈程度等结果判断点火剂低温点火能力。

试验数据分析

a)温度压力数据

点火导管22从开始降温到温度平衡的过程曲线如图4所示：通过对比点火导管表面温度c，煤油导管表面b，煤油导管内部温度曲线a，曲线d为***环境温度。

高低温箱设定温度为-53℃，实测壁温为-51.8℃，考虑传感器测量精度，以测量系统实测壁温为指示温度，验证点火剂温度达-51.8℃。

自环境温度开始下降，中间回升部分为高低温箱故障跳闸段进行维修过程中的温度变化。在该种平衡换热方式下，壁温测点和***式温度测点基本一致，考虑煤油和点火剂较为接近的物化特性，可认为点火剂温度即为壁温温度。点火导管挤破时的温度压力数据曲线图如图5所示，依据曲线c可看出挤破后常温氮气进入点火导管内壁，温度快速上升的过程，验证其试验符合预期。通过对比煤油导管内部温度a及表面温度b的差值，可以通过点火导管表面温度c判断其内部温度符合要求。

b)温度下降过程数据分析及降温滞后的理论对比

通过测量得到点火导管22从开始降温到温度平衡的过程曲线、并对其与降温过程的模拟过程进行了对比，对比结果如图6所示，通过对比模拟情况与实际情况一致，方法有效。通过对比理论分析，数据与实际数据基本吻合；研究结论后续可作为相似试验的依据，当内部温度不便测量时通过数值模拟的方式来进行确认。

c)高速摄像机5拍摄分析

针对点火剂进入点火区域的100ms以内的图像进行分析：

第一阶段：第二管道3出口端开始出现震动时，导管膜片破裂；

第二阶段：第36ms，第二管道3出口端开始有点火剂液体喷出，同时伴有不明显的黄色火焰；

第三阶段：第74ms，第二管道3出口端的点火剂液体满流，同时出口伴有明亮火焰，火焰黄绿色；

第四阶段：第84ms，第二管道3出口端完全被火焰覆盖。

因此，点火剂从管口流出后的快速引燃，依据高速图像点火剂从管口流出后约36ms秒后即起火燃烧，可以判断低温下其低温点火能力未受低温影响。点火剂高速流动后的火焰持续，在后续氮气快速流出的情况下，点火性能良好，验证了其持续点火能力未受低温影响。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。