具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明基于可视化高压燃烧器实验系统，主要用于解决高压下铝基固体推进剂细观燃烧过程的观测问题，进一步对推进剂燃烧机理和铝颗粒团聚规律有深刻认识，为推进剂细观燃烧模型的建立与完善提供一定的实验数据支撑。

参照图1，本实施例提供一种高压燃烧器实验系统，包括可视化高压燃烧器1、高速成像系统2、激光点火系统3、高压气源供应系统4和测控系统5。

参照图2、图3及图4，一实施例中的可视化高压燃烧器包括燃烧室101、稳压腔102、进气装置、激光透镜103、可视窗104、固体推进剂药条置于底座115上，底座115可拆卸安装在燃烧室101的下端，底座115上的待试验固体推进剂药条伸入燃烧室101内；所述燃烧室101外围侧壁上设置有可视窗104，燃烧室101连通有进气装置，燃烧室101上方的设置有与燃烧室相通的稳压腔102，稳压腔102顶部连接顶部法兰112，顶部法兰112中间设置有激光透镜103，激光透镜103与顶部法兰112之间密封设置，顶部法兰112上方设置有安装板113，安装板113上设置多个安装孔114，各安装孔114用于外接设备的安装，安装孔114用于安装实时检测燃烧室内压力情况的压力表和精密压力传感器，安装孔114还用于排气的排气阀的安装。安装孔114可安装的外接设备不限于此，还可根据需要进行选择安装其他的外接设备。

激光点火系统能够发射激光穿过激光透镜，入射到燃烧室内的待试验固体推进剂药条上对其点火。激光点火系统主要包括固体激光发生器、带激光输出准直头的激光输出光缆以及激光控制器。固体激光发生器用于产生功率（0-100W）连续可调、波长为1080nm的激光，同时可以发生红色的示踪激光，可以防止激光误伤。带激光输出准直头的激光输出光缆（3m）可灵活调整激光方向。激光控制器用于开关激光和调整激光功率。可视化高压燃烧器中的激光透镜为石英玻璃材质，其对该波长激光衰减系数较小（10%-20%）。实验证实可以实现激光经激光透镜对燃烧室内的待试验固体推进剂药条进行点火，将激光点火系统接入NI采集控制卡，测控系统能够实现激光点火系统点火的同步触发。

高压气源供应系统对可视化高压燃烧器充入高压氮气，高压气源供应系统连接进气装置，来自高压气源供应系统的高压氮气经进气装置进入到燃烧室中。高压气源供应系统的气源总压强为16MPa，可以满足实验对压强的要求。高压气源供应系统的进气与排气控制均通过电磁阀进行控制，实验气源分两路，一路操纵气（大于4MPa即可）通入电磁阀，其通断受到电路控制，另一路通入气动阀，其通断受到电磁阀控制。基于此可实现远程控制可视化高压燃烧器，提高实验安全性；实验管路中设置有手动泄压阀，可紧急泄压，规避风险。

高速成像系统设置在可视窗的一侧，对待试验固体推进剂药条的燃烧过程进行实时拍摄。高速成像系统包括高速相机、镜头、数据线、信号触发线等，高速相机帧频可以达到20000帧每秒，最小曝光时间可以达到一百万分之一秒，可以满足实验要求，通过将信号触发线接入测控系统，可以实现高速相机的同步触发。

测控系统5与激光点火系统、高速成像系统以及压力传感器连接，实时控制激光点火系统以及高速成像系统的工作，控制激光点火系统点火的同时同步触发高速成像系统对待试验固体推进剂药条的燃烧过程进行实时拍摄，同时接收来自高速成像系统拍摄到的图片数据，并对图片数据进行分析处理，通过图像法测燃速。测控系统5由计算机5001，NI采集控制卡5002、压力传感器数据线、信号线组成，压力传感器接在可视化高压燃烧器顶部，可以实时测量可视化高压燃烧器其燃烧室内部的压力变化。通过测控系统实现点火、相机和压力传感器的同步触发和数据传输保存。

本发明底座为铝合金旋式底座。利用裁刀将待试验固体推进剂药条切成指定规格（5*5*10mm），固定于铝合金旋式底座上，将铝合金旋式底座旋入可视化高压燃烧器，同时调整好药条方向使侧面正对可视窗。调节相机参数（帧频、曝光时间、放大倍数等）使高速相机的焦平面位于待试验固体推进剂药条中心平面处。打开高压气源供应系统，对可视化高压燃烧器充入高压氮气至指定压力（5MPa以上）下并稳定后，通过压力表可以粗略判读压力值的大小和稳定，基于NI采集控制卡，利用计算机实现同步控制固体激光器的点火、高速相机的触发和压强信号的采集；实验结束后，首先保存下压强和图像数据，其次短暂性吹除将燃烧产物吹出，然后手动调节排气阀排出高压气体，取下铝合金旋式底座更换药条重复实验即可。结合图像处理技术可以得到团聚粒径分布和运动速度等参数。

参照图2、图3和图4，本实施例提供一种可视化高压燃烧器，可以开展10MPa下的铝基固体推进剂的燃烧试验。

可视化高压燃烧器，包括燃烧室101、稳压腔102、进气装置、激光透镜103、底座115、可视窗104，待试验固体推进剂药条置于底座115上，底座115为铝合金旋式底座，可拆卸安装在燃烧室101的下端，底座115上的待试验固体推进剂药条伸入燃烧室101的燃烧腔内。可视化高压燃烧器的底座115采用铝合金材料，燃烧室外壳108、稳压腔外壳116等均可采用不锈钢材料。燃烧室外壳108和稳压腔外壳116为一体成型的，燃烧腔109和稳压腔102是贯通的。

所述燃烧室的外壳为长方体形，燃烧室外壳108内部为圆柱形的燃烧腔109。燃烧腔109上方连通圆柱形的稳压腔102。在一实施例中燃烧室外壳的长宽高尺寸为126*126*115mm，其内部的燃烧腔的高度为115mm，直径为80mm。稳压腔102的内径为80mm，高度为102mm，稳压腔的外壳为圆柱形，其壁厚为8mm。

长方体形的燃烧室外壳108的四周侧壁上均设置有可视窗104，可视窗104由侧面法兰110和侧面玻璃114组成，侧面法兰110外径是99mm，采用10颗M8不锈钢螺母固定，侧面玻璃114是圆柱形，厚度40mm，直径70mm。

燃烧室101连通有进气装置。所述进气装置包括环绕在燃烧室101外侧的进气环105，所述进气环105上设置有用于连接高压气源供应系统的供气接口106，所述进气环105上均匀分布多个连通到燃烧室内的进气接口107，来自高压气源供应系统的高压氮气经供气接口106进入到进气环105，通过进气环105上的进气接口107从燃烧室外围的多个方向进入到燃烧室101中。一实施例中，进气环为中心直径为268mm的进气环105，进气环105上有一个供气接口106，其内径为10mm。进气环105上设置有呈正交分布的四个内径为4mm的进气接口107，高压氮气从燃烧室的四个方向向燃烧室内充气。图8是进气环的进气示意图；图9是可视化高压燃烧器中高压气源气流方向示意图。进气环105一个供气接口106接高压气源供应系统，四个进气接口107从四个方向通入燃烧室，达到环形进气的目的，燃烧室内气流自下而上排出。

稳压腔102顶部连接顶部法兰112，顶部法兰112中间设置有激光透镜103，激光透镜103与顶部法兰112之间密封设置，顶部法兰112上方设置有安装板113，安装板113上设置多个用于安装外接设备的安装孔114，各安装孔114分别用于安装实时检测燃烧室内压力情况的压力表和精密压力传感器以及用于排气的排气阀。安装孔114可安装的外接设备不限于此，还可根据需要进行选择安装其他的外接设备。

如图5、图6和图7所示，本实施例提供了一种铝合金旋式底座。一方面解决了螺母法兰结构费时费力的问题，另一方面铝合金材质底座降低了质量，使实验相对轻便易操作，提高了实验效率。底座中设置了点火线柱120和超声波测燃速模块。

所述底座115设置有点火线柱120，底座115上设置有用于固定超声波探头122的固定板121，超声波探头122通过螺母安装在固定板121上，底座115伸入燃烧腔109内，其上端面设置有用于固定待试验固体推进剂药条同时实现密封承压的耦合材料层123，耦合材料层123通过预紧力部件124固定在底座115的上端面上。可视化高压燃烧器可通过底座上的点火线柱对燃烧室内的待试验固体推进剂药条进行点火，通过超声波探头实现超声波法测燃速。耦合材料层采用耦合材料制成，是超声波衰减较少的一种材料。在底座115的外侧还设置有底座手柄125，方便取下和安装底座。这样，本发明的可视化高压燃烧器，有两种点火方式，一种是通过激光点火，即激光点火系统发射激光穿过激光透镜，入射到燃烧室内的待试验固体推进剂药条上对其点火，另一种是底座设置了金属丝点火线柱，可以实现对燃烧室内的待试验固体推进剂药条的点火。

本发明可以实现动态燃速测试：一方面采用图像法基于高速相机拍摄的图片和图像处理程序，对相机进行标定测得燃面退移距离，再根据帧频即可得到推进剂燃速参数；另一方面采用超声波法，利用底座上的超声波探头探测到的超声波回波反射的时间差，即可得到推进剂燃速参数。

燃烧室外壳108底部设置有用于密封连接底座115的卡座117，卡座117内侧环形分布有多个凹/凸台结构118，所述底座115外侧设置有与卡座117内凹/凸台结构相配合的多个凹/凸台结构118，底座115和卡座117之间设置有一层以上的密封圈119，通过底座115和卡座117间相互配合的凹/凸台结构118以及密封圈实现底座117的密封承压。图7是铝合金旋式底座的密封承压原理图；铝合金旋式底座按箭头方向向上推至底座凹/凸台结构的下表面略高于卡座凹/凸台结构上表面，然后按图示箭头方向旋转铝合金旋式底座，由于底座上的凹/凸台结构两侧高度不一致（一侧19.33mm，另一侧20.14mm），会导致密封面逐渐压紧密封槽内橡胶圈，从而达到密封效果，旋至最深时，卡座上的凹/凸台结构与底座上的凹/凸台结构重合部分构成了可视化高压燃烧器底座的承压结构。

本发明中提出了一种新型进气方式，采用自下而上的环形进气方式，可有效降低烟雾对实验观测的影响，同时采用边进边排的方式，可以进一步减小烟雾的影响。稳压腔设置，一方面对于压力要求实验，可以减小压力波动，另一方面增加容积，可以降低烟雾的影响。

本发明一方面可以采用激光器点火和图像法测燃速，另一方面可以采用金属丝点火和超声波法测燃速。燃烧室侧面开有可视窗结合高速相机即可实现燃烧场的可视化。与燃烧腔一体化的稳压腔，扩大了燃烧室容积，降低了烟雾对成像的影响。顶部法兰配合橡胶圈和螺母可以实现顶部密封承压。

本发明相比于产物分析法，可以实现燃烧过程可视化，基于高速相机可以观测到微米级铝颗粒的细观燃烧过程。

本发明相对于目前开窗高压燃烧器，压力更高，可以实现10MPa下的推进剂细观燃烧实验。

本发明设计的铝合金旋式底座，摆脱了螺母法兰结构对实验进程的约束，另一方面较不锈钢底座质量降低，易于实验操作，大大提高了实验效率。

本发明稳压腔的设计，一方面可以稳定实验压强，另一方面增加燃烧室容积可以缓解烟雾影响。

本发明进排气方式的设计，是采用一种自下而上且环形进气的方式，可有效抑制烟雾对高速相机成像的影响，同时实验过程中采用进排气并存的方式，进一步降低了烟雾的影响。

本发明的实验系统已经搭建完成，顺利通过了压力测试，并且按照技术方案中的试验步骤可以实现7MPa下对铝基NEPE（高能复合固体推进剂）燃烧过程中铝颗粒细观燃烧过程的捕捉。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。