发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术采用的常温推进剂、地面试验装置及试验方法无法筛选出结构可靠、燃烧性能优的富氧富甲烷气气喷注单元的技术问题，而提供一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置，其特殊之处在于：包括富甲烷燃气发生器、富氧燃气发生器和气气喷注单元试验组件。

所述富甲烷燃气发生器包括依次连接的富甲烷燃烧室、第一节流孔板以及第一外接接口；富甲烷燃烧室的左端头上分别安装第一点火器、第一甲烷气入口以及第一氧气入口。

所述富氧燃气发生器包括依次连接的富氧燃烧室、第二节流孔板以及第二外接接口；所述富氧燃烧室的右端头上分别安装第二点火器、第二甲烷气入口以及第二氧气入口。

所述气气喷注单元试验组件包括头部、固定法兰、身部以及喉道。

所述头部包括主管道、设置在主管道侧部的燃料入口法兰和氧化剂入口法兰、设置在主管道上的燃料路喷前压力监测装置和氧化剂路喷前压力监测装置、设置在主管道燃气输出端的外接法兰，以及设置在主管道上并位于燃料入口法兰与氧化剂入口法兰之间的头部隔板；其中燃料路喷前压力监测装置和燃料入口法兰位于头部隔板的下侧，靠近主管道的燃气输出端，氧化剂路喷前压力监测装置和氧化剂入口法兰位于头部隔板的上侧，远离主管道的燃气输出端。

所述头部隔板中间开设有与气气喷注单元试验件上端外径相适配的通孔；

所述头部的外接法兰上开设有与气气喷注单元试验件的下端外径相适配的通孔；所述外接法兰和固定法兰之间螺栓连接。

所述富甲烷燃气发生器通过第一外接接口与头部的燃料入口法兰连接；所述富氧燃气发生器通过第二外接接口与头部的氧化剂入口法兰连接。

所述固定法兰的下方依次设置身部、喉道，固定法兰中间开设有通孔。

所述身部内部通道为试验件燃烧室；所述身部侧壁上设置有第三点火器、脉动压力监测装置、温度监测装置以及室压监测装置。

所述身部、喉道均采用冷却方案冷却。

进一步地，所述脉动压力监测装置、温度监测装置以及室压监测装置的数量为一个或多个。根据试验要求灵活调整脉动压力监测装置、温度监测装置、室压监测装置的数量。

进一步地，所述冷却方案为铜热沉方案或夹层冷却方案。根据燃气温度和试验时长的不同，选择装配铜热沉方案或夹层冷却方案的身部和喉道，方便试验快速进行，提高了试验效率。

进一步地，所述身部、喉道通过长螺柱组依次设置在固定法兰的下方；所述长螺柱组逐次穿过喉道、身部，其端部与固定法兰螺纹连接。气气喷注单元筛选试验中，可以通过仅拆装外接法兰和固定法兰之间的螺栓进行快速更换试验件头部，而固定法兰、身部和喉道保持不拆卸，方便试验快速进行，提高了试验效率，此外也方便更换身部和喉道。

一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验方法，其特殊之处在于，采用上述富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置，实现步骤如下：

1）装配试验件头部

根据结构模拟原则，将多个气气喷注单元试验件分别与多个头部的主管道、头部隔板、外接法兰、燃料入口法兰、氧化剂入口法兰装配在一起，形成多个试验件头部。

2）计算甲烷氧气流量

根据温度和组分模拟原则，分析气气喷注单元试验件试验所需富甲烷燃气和富氧燃气的流量、温度与组分，通过热力学计算分别得到富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器组织燃烧所需甲烷和氧气的流量。

3）计算喉道的喉部直径

根据降压模拟原则，确定试验件燃烧室的室压，计算出喉道的喉部直径。

4）选取并安装第一节流孔板、第二节流孔板

结合步骤3）中确定的试验件燃烧室室压，确定富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器的室压预定值，并根据步骤2）中所得富甲烷燃气和富氧燃气的流量、温度参数，选取合适孔径的第一节流孔板、第二节流孔板并分别安装在富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器中。

5）选择冷却方案

根据燃气温度和试验时长，选择装配了合适冷却方案的身部和喉道。

6）组装试验装置

连接步骤1）中得到的其中一个试验件头部以及固定法兰、身部、喉道、富甲烷燃气发生器以及富氧燃气发生器，检查各连接处，确保密封良好无泄漏。

7）开始监测

打开氧化剂路喷前压力监测装置、燃料路喷前压力监测装置、脉动压力监测装置、温度监测装置以及室压监测装置，并启动各监测数据采集程序。

8）生成富甲烷燃气和富氧燃气

根据步骤2）得到的甲烷和氧气的流量，为富甲烷燃烧室、富氧燃烧室供应相应流量的甲烷和氧气，并启动第一点火器、第二点火器，甲烷和氧气在富甲烷燃烧室、富氧燃烧室中进行燃烧，分别产生所需温度的富甲烷燃气和富氧燃气；富甲烷燃气在第一节流孔板的作用下，按照步骤4）所确定的室压预定值，在富甲烷燃烧室中建起相应的压力，然后依次经由第一外接接口、燃料入口法兰进入头部；富氧燃气在第二节流孔板的作用下，按照步骤4）所确定的室压预定值，在富氧燃烧室中建起相应的压力，然后依次经由第二外接接口、氧化剂入口法兰进入头部。

9）气气喷注单元试验件点火试验

进入头部的富甲烷燃气和富氧燃气经由气气喷注单元试验件喷注入试验件燃烧室内，通过第三点火器点火，在试验件燃烧室内充分燃烧。

10）读取各监测数据，并存储记录。

11）拆卸当前试验件头部，更换步骤1）所得到的另外一个试验件头部，重复执行步骤6）〜10），直到装有所有气气喷注单元试验件的全部试验件头部完成测试。

12）气气喷注单元试验件筛选

所有气气喷注单元试验件完成试验后，根据获得的每个试验件头部中气气喷注单元试验件的试验数据，筛选出合格的气气喷注单元试验件。

进一步地，步骤1）的具体操作方法如下：依次焊接气气喷注单元试验件上端与头部隔板上的通孔内壁、头部隔板的外缘与头部主管道内壁以及气气喷注单元试验件与外接法兰上的通孔内壁，焊接完成后，检查各焊接处，保证不漏气；最后将燃料入口法兰和氧化剂入口法兰装配在头部主管道侧面。这一结构很好的固定了气气喷注单元，增加了气气喷注单元的稳定性。

本发明对比现有技术具有的有益效果：

1、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据温度和组分模拟原则，采用富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器提供一定温度、组分和压力的富甲烷燃气和富氧燃气作为推进剂，从而模拟出液氧甲烷发动机推力室工作状态下推进剂的状态，更好地模拟气气喷注单元在推力室条件下的燃烧特性，对喷注单元的筛选提供有效的数据支撑。

2、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据降压模拟原则，在保持富甲烷燃气和富氧燃气喷注前的流动状态与液氧甲烷推力室相同的前提下，选取合适喉部直径的喉道，降低试验件燃烧室室压，从而大幅降低了高压试验难度，提高了高压试验的安全性，且操作简单，易于实现。

3、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据结构模拟原则，将气气喷注单元试验件装配在头部，试验过程中只需通过拆装外接法兰和固定法兰之间的螺栓，而无需拆卸固定法兰、身部和喉道，就可以实现快速更换气气喷注单元试验件，提高了试验效率，做到快速筛选。

4、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据试验中燃气温度和燃烧时长来选择合适冷却方案的身部和喉道，且身部和喉道通过长螺柱组与固定法兰连接，需要更换身部和喉道时，只需拆解长螺柱组，应用简单方便，试验效率高。