一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机及其实验方法

1.本发明属于固体火箭发动机技术领域，具体涉及一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机及其实验方法。


背景技术：

2.随着当今导弹武器系统的高速发展，世界各国不断追求导弹武器的机动性能和末端突防能力，其中机动性能更是各国关注的重点。发动机性能主动调节保证了导弹具备主动调整作战轨迹及高飞行机动性的能力，推力主动调控通常是运用液体推进系统来实现，相比于液体推进系统，固体推进系统具有燃料容易储存、结构复杂、发射前准备时间短的优点。所以，研发具有性能主动调控能力的固体推进系统，将为导弹推进系统提供更多的发展方向。
3.目前国内外对于分装组合固体发动机的研究尚处于初级阶段，研究分装组合固体发动机富氧燃烧室中的燃烧掺混，对提高燃气的燃烧效率，实现发动机总体性能的提升具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机及其实验方法，用于增强发动机富氧燃烧室内富燃燃气与富氧燃气的掺混燃烧；研究加入扰流装置前后对发动机掺混燃烧效率的影响，以及不同掺混装置叶片数量对发动机掺混燃烧效率的影响规律，为设计发动机提供参考。
5.本发明所采取的技术方案是：
6.一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机，包括封盖、富燃固体推进剂药柱、富氧固体推进剂药柱以及依次串联的富燃燃烧室、流量调节装置、扰流装置、富氧燃烧室、后燃室、喷管；所述封盖与富燃燃烧室一体连接，所述富燃固体推进剂药柱采用端燃药柱粘接在富燃燃烧室的壳体内，所述富氧固体推进剂药柱采用星型药柱粘接在富氧燃烧室内。
7.一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机的实验方法，包括以下步骤：
8.s1.确定注入发动机内流场燃气的质量流量及组分占比；
9.s2.安装实验装置，检查装置气密性；
10.s3.供气设备与实验装置燃气入口连接，向实验装置供气；
11.s4.开始试验，监测混燃室压强；
12.s5.更换扰流段装置，重复实验；
13.s6.整理监测数据，计算发动机燃烧效率；
14.s7.对比各组实验发动机的燃烧效率；
15.s8.得出加入扰流装置前后对发动机燃烧效率的影响，得出不同扰流叶片数量对发动机燃烧效率的影响规律。
16.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
17.一、分装组合固体发动机的优点是：
18.1.扰流装置为燃气管道和扰流叶片组成，通过一体化设计加工，不需要伺服机构的加入，大大提高了发动机的可靠性，同时减低了发动机的制造成本。
19.2.扰流装置增强富燃燃气与富氧燃气的掺混程度，降低燃气轴向流速，提高燃烧效率，从而提高发动机的性能。
20.3.富燃燃烧室、富氧燃烧燃烧室与流量调节段通过法兰盘连接，发动机可以灵活更换不同的扰流装置以适应不同性能调节能力的发动机。
21.二、实验方法的优点是：
22.1.相比于传统分装组合固体发动机地面点火试验，本发明通过实验装置进气口分别注入富燃燃气和富氧燃气，替代发动机推进剂药柱自持燃烧产生燃气注入发动机内流场的过程，简化了装置及实验步骤；节省实验成本和实验时间；提高了实验的安全性；减少了实验变量，更加准确、单一的研究扰流装置对发动机掺混燃烧效率的影响。
23.2.实验装置的扰流段与装置主体通过法兰盘连接装配灵活，方便更换扰流装置，在对比加入扰流装置前后以及不同扰流装置对燃气掺混燃烧效率影响的研究中节省实验时间和实验成本，同时尽可能的控制了实验的变量，降低不同实验设备给实验结果带来的误差。
24.3.使用多孔介质管，使富氧燃气降低流速，同时让燃气均匀注入燃烧室，更加真实的模拟分装组合固体发动机富氧燃烧室因推进剂热分解产生的燃气流动。
附图说明
25.图1是本发明分装组合固体发动机机剖面结构示意图；
26.图2是本发明扰流装置主视图；
27.图3是本发明扰流装置侧视图；
28.图4是本发明实验装置主体轴向剖切图；
29.图5是本发明实验方法流程图；
30.其中：1、封盖；2、富燃燃烧室；3、流量调节装置；4、扰流装置；5、富氧燃烧室；6、后燃室；7、喷管；8、富燃固体推进剂药柱；9、富氧固体推进剂药柱；10、法兰盘；11、富燃燃气进气口；12、稳流段；13、扰流段；14、燃气掺混段；15、多孔介质管；16、富氧燃气进气口；17、富氧燃气过渡舱；18、混燃室；19、点火器；20、无线压力传感器；21、尾喷管。
具体实施方式
31.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
32.参照图1～图3所示，本发明的一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机，包括封盖1、富燃固体推进剂药柱8、富氧固体推进剂药柱9以及依次串联的富燃燃烧室2、流量调节装置3、扰流装置4、富氧燃烧室5、后燃室6、喷管7；封盖1与富燃燃烧室2一体连接，富燃固体推进剂药柱8采用端燃药柱粘接在富燃燃烧室2的壳体内，富氧固体推进剂药柱9采用星型药柱粘接在富氧燃烧室5内。
33.如图1～3所示，扰流装置4包括燃气管道及中心对称设置的多个扰流叶片构成，多
个扰流叶片的根部一体连接在燃气管道的管壁上，将富燃燃气分成多个气流走向注入富氧燃烧室5。
34.扰流装置4的扰流叶片可采用风车式叶片实现扰流，不需要伺服机构的加入，大大提高了发动机的可靠性，同时减低了发动机的制造成本。
35.扰流叶片表面光滑。防止燃气中所含的颗粒在表面堆积。
36.扰流装置4工作原理是：将分装组合固体发动机流量调节段内平行于流道走向的富燃燃气分成多个气流走向注入富氧燃烧室5，增强富燃燃气与富氧燃气的掺混程度，提高燃烧效率，从而提高发动机的性能。
37.以及通过扰流叶片改变燃气流动方向，同时降低气流速度增加燃气在富氧燃烧室的停留时间，使富燃燃气与富氧燃气充分反应，提高燃烧效率，从而提高发动机性能。
38.流量调节装置3采用流量调节阀；
39.流量调节装置3和扰流装置4一体连接形成流量调节段，富燃燃烧室2、流量调节段和富氧燃烧室5通过法兰盘10串接。方便更换发动机的扰流装置以适应不同调节能力的分装组合固体发动机。
40.富氧燃烧室5与后燃室6通过法兰盘10连接，喷管7与后燃室6设计为一个整体。
41.富燃固体推进剂药柱8自持燃烧产生富燃燃气；富燃燃气通过流量调节阀和扰流装置4注入富氧燃烧室5，与富氧燃烧室5中产生的富氧燃气掺混燃烧释放热量，最终气态产物经过喷管7膨胀加速喷出，产生推力。
42.实验方法，如图4所示，包括以下步骤：
43.s1.基于发动机化学反应机理，确定富燃、富氧推进剂热分解产物及各组分占比；以及利用fluent软件计算得到发动机稳定工作两燃烧室压强，结合富燃、富氧推进剂药柱燃面面积，从而计算出推进剂注入发动机内流场燃气的质量流量及组分占比。确定注入发动机内流场燃气的质量流量及组分占比；
44.s2.安装实验装置，检查装置气密性；
45.s3.供气设备与实验装置燃气入口连接，向实验装置供气；
46.供气设备通过实验装置进气口分别注入同等质量流量及组分占比富燃燃气和富氧燃气，替代发动机推进剂药柱自持燃烧产生燃气注入发动机内流场的过程，从而简化了装置及实验步骤；节省实验成本和实验时间；提高了实验的安全性；减少了实验变量，更加准确、单一的研究扰流装置对发动机掺混燃烧效率的影响。
47.s4.开始试验，监测混燃室压强；
48.s5.更换扰流段装置，(不加入扰流装置，以及加入不同叶片数量的扰流)重复实验；
49.s6.整理监测数据，计算发动机燃烧效率；
50.s7.对比各组实验发动机的燃烧效率；
51.s8.得出加入扰流装置前后对发动机燃烧效率的影响，得出不同扰流叶片数量对发动机燃烧效率的影响规律。
52.其中：如图4所示，s2中的实验装置包括依次通过法兰盘可拆卸串接的稳流段12、扰流段13、燃气掺混段14、混燃室18、尾喷管21；为了获得更好的气密性，实验各装置与法兰盘焊接在一起，各段之间装配灵活；法兰盘之间采用12个连接口固定在一起如图4所示。
53.燃气掺混段14外部一体套装有富氧燃气过渡舱17，富氧燃气过渡舱17的顶部和底部一体设有富氧燃气进气口16，富氧燃气过渡舱17通过嵌入其凹槽中的多孔介质管15与燃气掺混段14连通，混燃室18内焊接有多个无线压力传感器20，混燃室18上安装有点火器19，稳流段12头部的富燃燃气进气口11和富氧燃气进气口16均通过软管与供气系统连接，供气系统通过压力阀将高压气瓶内的气体分别输送至稳流段12和富氧燃气过渡舱17。
54.在实验装置的富燃燃气进气口11通入富燃燃气，模拟分装组合固体发动机富燃推进剂自持燃烧产生的富燃燃气；在实验装置的稳流段12，模拟分装组合固体发动机流量调节段的燃气流动；在实验装置的燃气掺混段14顶部和底部通入富氧燃气进入富氧燃气过渡舱17，通过多孔介质管15使富氧燃气降低流速，同时让燃气均匀注入混燃室18，更加真实的模拟在分装组合固体发动机富氧燃烧室中因富氧推进剂热分解产生的燃气流动。
55.实验装置扰流段13与装置主体通过法兰盘连接装配灵活，方便更换扰流装置，在对比加入扰流装置前后以及不同扰流装置对燃气掺混燃烧效率影响的研究中，节省实验时间和实验成本，同时尽可能的控制了实验的变量，降低不同实验设备给实验结果带来的误差。
56.在实验之前进行实验装置气密性试验，为保证整个试验段是一个密闭的系统，采用封盖将尾喷管21出口、富氧燃气进气口16密封起来，将富燃燃气进气口11与供气系统通过胶管连接。同时，在所有螺栓连接处进行预紧，预紧方式采用对角依次预紧的方式，保证受力均匀，为防止螺栓过载。打开进气阀使压力缓慢上升，上升到一定压强，保压10分钟，依据实验装置是否有蜂鸣声发出来判断装置的气密性，若有蜂鸣声发出，查找蜂鸣声发出的装置，分析原因，进行修改加固。直到试验装置气密性合格方可进行实验。
57.以及，s6中，运用特征速度法表征发动机的燃烧效率：
58.特征速度的定义为：
[0059][0060]
式中：c
*
表示特征速度；a
t
表示喷管喉部面积；p
c*
表示燃烧室总压；表示通过喷管的质量流率；
[0061]
理论特征速度的计算：
[0062][0063]
式中：c
th*
表示理论特征速度；r0表示通用气体常数；tf表示绝热燃烧温度；表示气相燃烧产物的平均分子量；τ表示比热比函数；
[0064]
燃烧效率：
[0065][0066]
其中，利用混燃室壁面的六个无线压力传感器20监测混燃室压强，去除六个无线压力传感器20监测的最高值和最低值，取剩下四个监测值做平均处理表示燃烧室压强p
c*
，避免了设备损坏带来的误差以及设备自身的精度误差；根据质量守恒，喷管处质量流率
与注入实验装置的燃气质量流率相同；基于发动机化学反应机理，利用chemkin软件计算得到理论燃烧产物的参数。
[0067]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机，其特征在于：包括封盖(1)、富燃固体推进剂药柱(8)、富氧固体推进剂药柱(9)以及依次串联的富燃燃烧室(2)、流量调节装置(3)、扰流装置(4)、富氧燃烧室(5)、后燃室(6)、喷管(7)；所述封盖(1)与富燃燃烧室(2)一体连接，所述富燃固体推进剂药柱(8)采用端燃药柱粘接在富燃燃烧室(2)的壳体内，所述富氧固体推进剂药柱(9)采用星型药柱粘接在富氧燃烧室(5)内。2.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机，其特征在于：所述流量调节装置(3)和扰流装置(4)一体连接形成流量调节段，所述富燃燃烧室(2)、流量调节段和富氧燃烧室(5)通过法兰盘(10)串接。3.根据权利要求1所述的一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机，其特征在于：所述扰流装置(4)包括燃气管道及中心对称设置的多个扰流叶片构成，多个扰流叶片的根部一体连接在燃气管道的管壁上，将富燃燃气分成多个气流走向注入富氧燃烧室(5)。4.一种利用权利要求1～3任意一项所述的嵌入扰流装置的分装组合固体发动机的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：s1.确定注入发动机内流场燃气的质量流量及组分占比；s2.安装实验装置，检查装置气密性；s3.供气设备与实验装置燃气入口连接，向实验装置供气；s4.开始试验，监测混燃室压强；s5.更换扰流段装置，重复实验；s6.整理监测数据，计算发动机燃烧效率；s7.对比各组实验发动机的燃烧效率；s8.得出加入扰流装置前后对发动机燃烧效率的影响，得出不同扰流叶片数量对发动机燃烧效率的影响规律。5.根据权利要求4所述的嵌入扰流装置的分装组合固体发动机的实验方法，其特征在于：所述s1的确定注入发动机内流场燃气的质量流量及组分占比具体步骤为：基于发动机化学反应机理，确定富燃、富氧推进剂热分解产物及各组分占比；以及计算得到发动机稳定工作两燃烧室压强，结合富燃、富氧推进剂药柱燃面面积，从而计算出推进剂注入发动机内流场燃气的质量流量及组分占比。6.根据权利要求4所述的嵌入扰流装置的分装组合固体发动机的实验方法，其特征在于：所述s2中的实验装置包括依次可拆卸串接的稳流段(12)、扰流段(13)、燃气掺混段(14)、混燃室(18)、尾喷管(21)；所述燃气掺混段(14)外部一体套装有富氧燃气过渡舱(17)，所述富氧燃气过渡舱(17)的顶部和底部一体设有富氧燃气进气口(16)，富氧燃气过渡舱(17)通过嵌入其凹槽中的多孔介质管(15)与燃气掺混段(14)连通，混燃室(18)内焊接有多个无线压力传感器(20)，混燃室(18)上安装有点火器(19)，稳流段(12)头部的富燃燃气进气口(11)和富氧燃气进气口(16)均与供气系统连接。7.根据权利要求4所述的嵌入扰流装置的分装组合固体发动机的实验方法，其特征在于：所述s3中的供气设备通过实验装置进气口分别注入同等质量流量及组分占比富燃燃气和富氧燃气，替代发动机推进剂药柱自持燃烧产生燃气注入发动机内流场的过程。8.根据权利要求4所述的嵌入扰流装置的分装组合固体发动机的实验方法，其特征在于：所述s5中，重复实验为：进行不加入扰流装置，以及加入不同叶片数量的扰流叶片的实
验。9.根据权利要求4所述的嵌入扰流装置的分装组合固体发动机的实验方法，其特征在于：所述s6中，运用特征速度法表征发动机的燃烧效率：特征速度的定义为：式中：c
*
表示特征速度；a
t
表示喷管喉部面积；p
c*
表示燃烧室总压；表示通过喷管的质量流率；理论特征速度的计算：式中：c
th*
表示理论特征速度；r0表示通用气体常数；t
f
表示绝热燃烧温度；表示气相燃烧产物的平均分子量；τ表示比热比函数；燃烧效率：

技术总结
一种嵌入扰流装置的分装组合固体发动机及其实验方法，属于固体火箭发动机技术领域。分装组合固体发动机，包括扰流装置。实验方法，包括S1.确定注入发动机内流场燃气的质量流量及组分占比；S5.更换扰流段装置，重复实验；S6.计算发动机燃烧效率；S7.对比各组实验发动机的燃烧效率；S8.得出加入扰流装置前后对发动机燃烧效率的影响，得出不同扰流叶片数量对发动机燃烧效率的影响规律。本发明的扰流装置增强富燃燃气与富氧燃气的掺混程度，降低燃气轴向流速，提高燃烧效率，从而提高发动机的性能。本发明通过实验装置进气口分别注入富燃燃气和富氧燃气，替代发动机推进剂药柱自持燃烧产生燃气注入发动机内流场的过程，简化了装置及实验步骤。实验步骤。实验步骤。


技术研发人员：王革 杨铭 王富祺 王志邦 杨帅 周博成 陈焱 杨海威 关奔 杨泽南
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/14