CN106053083A - 一种固体发动机冷气冲击实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体发动机冷气冲击实验装置，包括高压氮气罐、暂存式储气罐、可移动固定支架、气动闭锁器、电动推拉杆、连接机构、实验发动机、压力传感器、放大电路和数据采集卡；高压氮气罐通过气管与暂存式储气罐连接，气动闭锁器两端通过法兰分别与暂存式储气罐和连接机构连接，闭气端与电动推拉杆连接，连接机构另一端与实验发动机连接，实验发动机上设有若干个压力传感器，压力传感器依次与放大电路和数据采集卡连接；所有部件均设置在可移动固定支架上。本发明在模拟发动机工作过程中，通过实时测量发动机各个位置压力，可以较好地解决了发动机点火阶段，发动机内复杂压力难以测量的工程难题。

Description

一种固体发动机冷气冲击实验装置
技术领域
本发明属于发动机测试领域，具体涉及一种固体发动机冷气冲击实验装置。
背景技术
发动机点火时， 在几十至几百毫秒内，燃烧室压力由1个大气压迅速增至100多个大气压，在这高温、高压及高应变率的恶劣环境下，通过试验测量药柱的真实应变异常困难。
唐国金等在《固体火箭发动机冷增压试验***的设计与应用》（固体火箭技术34.4(2011):423-425.）一文中设计并自助研发了固体火箭发动机冷气增压试验***，该***利用高压气体对药柱内腔进行加压，模拟发动机点火增压过程，实现了药柱内表面应变的实时测量。但是，如文中所述，试验***通过快速高压电磁阀进行加压，其响应速度为50ms，但是响应速度较慢，不足以模拟点火冲击瞬态特性，需要改变加压结构方式满足瞬态冲击的力学特性。
杨辰等在《固体火箭发动机冷气冲击过程数值分析》（四川兵工学报, 2015(11).）一文中使用工业氮气冲击固体火箭发动机药柱以模拟发动机点火瞬时产生的高压峰值对发动机壁面的压力冲击，分析模拟固体火箭发动机工作中的压力分布。但是，文中并未提及试验发动机如何构造以及实现的具体功能，进而无法进行实验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体发动机冷气冲击实验装置，在模拟发动机工作过程中，通过实时测量发动机各个位置压力，可以较好地解决了发动机点火阶段，发动机内复杂压力难以测量的工程难题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种固体发动机冷气冲击实验装置，包括高压氮气罐、暂存式储气罐、可移动固定支架、气动闭锁器、电动推拉杆、连接机构、实验发动机、压力传感器、放大电路和数据采集卡；高压氮气罐通过气管与暂存式储气罐连接，气动闭锁器两端通过法兰分别与暂存式储气罐和连接机构连接，闭气端与电动推拉杆连接，连接机构另一端与实验发动机连接，实验发动机上设有若干个压力传感器，压力传感器依次与放大电路和数据采集卡连接；高压氮气罐、暂存式储气罐、气动闭锁器、电动推拉杆、连接机构和实验发动机均设置在可移动固定支架上。
气动闭锁器在闭合时密封暂存式储气罐中的高压气体，通过电动推拉杆拉动气动闭锁器，使其闭锁气缸4-1的出气口瞬间打开，通过连接机构，使气体瞬间冲入实验发动机中，压力传感器采集实验发动机的压力信号，将压力信号转化为电信号传送给放大电路，放大电路将电信号放大后送入数据采集卡，数据采集卡将电信号转化为数字信号，输入计算机，从而获得实验发动机内部实时压力数据。
所述连接机构包括连接管和喷嘴，连接管一端通过法兰与气动闭锁器固连，另一端通过螺纹与实验发动机固连，喷嘴通过螺纹固定在与实验发动机固连的一端内壁。
所述实验发动机包括发动机壳体、挡药板、压力传感器接头、药柱、端盖和泄压口，发动机壳体一端通过螺纹与连接管连接，另一端设有端盖，两个挡药板间隔固定在发动机壳体内，药柱设置在两个挡药板之间的发动机壳体内，两个挡药板之间的发动机壳体上分布若干个压力传感器接口，压力传感器接头固定在压力传感器接口上，压力传感器设置在压力传感器接头上，泄压口设置在发动机壳体上。
所述挡药板为环形板。
所述压力传感器接头包括固定座和螺纹管，螺纹管一端设有固定座，另一端与发动机壳体通过螺纹固连，固定座与螺纹管连接面上设有圆孔与螺纹管连通，压力传感器固定在固定座内。
所述压力传感器接头还包括加长管，加长管与螺纹管的另一端固连且相通。
所述气动闭锁器包括闭锁器缸、闭锁器活塞体、滑动体、顶螺栓和连杆，闭锁器缸中心设有定位孔，闭锁器活塞体***闭锁器缸的定位孔中，其底部自定位孔底部伸出闭锁器缸，滑动体固定在闭锁器活塞体顶部，顶螺栓穿过连杆压在滑动体顶部，且通过螺纹与连杆的一端连接，连杆的另一端与电动推拉杆连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）在模拟发动机工作过程中，通过实时测量发动机各个位置压力，可以较好地解决了发动机点火阶段，发动机内复杂压力难以测量的工程难题。
（2）结构设计简单，在满足基本实验要求情况下，可以通过改变喷嘴形状，改变气体喷出形式；通过改变发动机内药柱形状，测试不同药柱内压或外压；通过端盖上加工接线器，可以方便引出贴于药柱表面的应变片线，测量药柱表面应变响应。
（3）试验***在设计加工时，均通过准确的理论计算，以及高精度机器加工，足以确保整个试验***在极高试验压强下的安全稳定性；并且整个试验***设计简洁，只需2个试验研人员就可以轻松搭建及操作。
附图说明
图1是本发明固体发动机冷气冲击实验装置工作结构示意图。
图2是本发明固体发动机冷气冲击实验装置连接机构和实验发动机结构示意图。
图3是本发明固体发动机冷气冲击实验装置气动闭锁器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1、图2和图3，本发明一种固体发动机冷气冲击实验装置，包括高压氮气罐1、暂存式储气罐2、可移动固定支架3、气动闭锁器4、电动推拉杆5、连接机构6、实验发动机7、压力传感器、放大电路8和数据采集卡9；高压氮气罐1通过气管与暂存式储气罐2连接，气动闭锁器4两端通过法兰分别与暂存式储气罐2和连接机构6连接，闭气端与电动推拉杆5连接，连接机构6另一端与实验发动机7连接，实验发动机7上设有若干个压力传感器，压力传感器依次与放大电路8和数据采集卡9连接；高压氮气罐1、暂存式储气罐2、气动闭锁器4、电动推拉杆5、连接机构6和实验发动机7均通过螺栓固定在可移动固定支架3上。
气动闭锁器4在闭合时密封暂存式储气罐2中的高压气体，通过电动推拉杆5拉动气动闭锁器4，使其闭锁气缸4-1的出气口瞬间打开，通过连接机构6，使气体瞬间冲入实验发动机7中，压力传感器采集实验发动机7的压力信号，将压力信号转化为电信号传送给放大电路8，放大电路8将电信号放大后送入数据采集卡9，数据采集卡9将电信号转化为数字信号，输入计算机，从而获得实验发动机7内部实时压力数据。
连接机构6包括连接管6-1和喷嘴6-2，连接管6-1一端通过法兰与气动闭锁器4固连，另一端通过螺纹与实验发动机7固连，喷嘴6-2通过螺纹固定在与实验发动机7固连的一端内壁。
所述实验发动机7包括发动机壳体7-1、挡药板7-2、压力传感器接头7-3、药柱、端盖7-4和泄压口7-5，发动机壳体7-1一端通过螺纹与连接管6-16-1连接，另一端设有端盖7-4，两个挡药板7-2间隔固定在发动机壳体7-1内，药柱设置在两个挡药板7-2之间的发动机壳体7-1内，两个挡药板7-2之间的发动机壳体7-1上分布若干个压力传感器接口，压力传感器接头7-3固定在压力传感器接口上，压力传感器设置在压力传感器接头7-3上，泄压口7-5设置在发动机壳体7-1上。
所述挡药板7-2为环形板。
所述压力传感器接头7-3包括固定座和螺纹管，螺纹管一端设有固定座，另一端与发动机壳体7-1通过螺纹固连，固定座与螺纹管连接面上设有圆孔与螺纹管连通，压力传感器固定在固定座内。
所述压力传感器接头7-3还包括加长管，加长管与螺纹管的另一端固连且相通。
所述气动闭锁器4包括闭锁器缸4-1、闭锁器活塞体4-2、滑动体4-3、顶螺栓4-4和连杆4-5，闭锁器缸4-1为凸台形，底部直径小，中心设有贯穿顶部和底部的变直径定位孔，闭锁器活塞体4-2***闭锁器缸4-1的定位孔中，其底部自定位孔底部伸出，滑动体4-3为十字形，闭锁器活塞体4-2顶部设有固定槽，滑动体4-3通过螺钉固定在闭锁器活塞体4-2顶部固定槽中，顶螺栓4-4的螺杆自定位孔顶部伸入，穿过连杆4-5压在滑动体4-3顶部，且通过螺纹与连杆4-5的一端连接，连杆4-5的另一端与电动推拉杆5连接。当连杆4-5在电动推拉杆5的拉动下，带动顶螺栓4-4左右移动，使得滑动体4-3脱离顶螺栓4-4左的压制，闭锁器活塞体4-2和滑动体4-3在气压下，向上运动，使得气体顺利进入实验发动机7。
实施例1
结合图1、图2和图3，本发明一种固体发动机冷气冲击实验装置，包括高压氮气罐1、暂存式储气罐2、可移动固定支架3、气动闭锁器4、电动推拉杆5、连接机构6、实验发动机7、压力传感器、放大电路8和数据采集卡9。高压氮气罐1通过气管与暂存式储气罐2连接，气动闭锁器4两端通过法兰分别与暂存式储气罐2和连接机构6连接，闭气端与电动推拉杆5连接，连接机构6另一端与实验发动机7连接，实验发动机7上设有五个压力传感器，压力传感器依次与放大电路8和数据采集卡9连接；高压氮气罐1、暂存式储气罐2、气动闭锁器4、电动推拉杆5、连接机构6和实验发动机7均通过螺栓固定在可移动固定支架3上。
气动闭锁器4在闭合时密封暂存式储气罐2中的高压气体，通过电动推拉杆5拉动气动闭锁器4，使其闭锁气缸4-1的出气口瞬间打开，通过连接机构6，使气体瞬间冲入实验发动机7中，压力传感器采集实验发动机7的压力信号，将压力信号转化为电信号传送给放大电路8，放大电路8将电信号放大后送入数据采集卡9，数据采集卡9将电信号转化为数字信号，输入计算机，从而获得实验发动机7内部实时压力数据。
高压氮气罐1放出压强为2MPa的高压氮气，进入暂存式储气罐2中，通过闭合的气动闭锁器4，暂存于暂存式储气罐2中，通过电机控制电动推拉杆5拉动闭锁器4，打开气压存储装置2，使气体瞬间冲入实验发动机7中，实验发动机7中装有圆管状药，因此需要在实验发动机7上安装7-3传感器接头以及连接有加长管的传感器接头，此时连接在实验发动机7上的压力传感器采集到圆管药内腔和外腔的压力信号后输出电压信号，该电压信号经过放大电路8，被数据采集卡9转化为数字信号并将数字信号输入给电脑，通过软件实时记录信号。
数据采集卡9采集到的信号最终由软件显示出来，压力传感器输出的电压信号初始时刻为0s，压力为0V（经转换为0MPa），电压信号在0.02s达到峰值，压力为2.44V和2.28V（经转换约为1MPa和0.9MPa，因为存在压力损失），整个过程耗时0.15s，此时压力降为0V。通过对实验发动机7内部压强实时监测可以模拟真实发动机点火冲击载荷下，内部压力及药柱应变过程，可以为真实火箭发动机点火试验提供较为准确的事实参考依据。
实施例2
结合图1、图2和图3，本发明一种固体发动机冷气冲击实验装置，包括高压氮气罐1、暂存式储气罐2、可移动固定支架3、气动闭锁器4、电动推拉杆5、连接机构6、实验发动机7、压力传感器、放大电路8和数据采集卡9。高压氮气罐1通过气管与暂存式储气罐2连接，气动闭锁器4两端通过法兰分别与暂存式储气罐2和连接机构6连接，闭气端与电动推拉杆5连接，连接机构6另一端与实验发动机7连接，实验发动机7上设有3个压力传感器，压力传感器依次与放大电路8和数据采集卡9连接；高压氮气罐1、暂存式储气罐2、气动闭锁器4、电动推拉杆5、连接机构6和实验发动机7均通过螺栓固定在可移动固定支架3上。
气动闭锁器4在闭合时密封暂存式储气罐2中的高压气体，通过电动推拉杆5拉动气动闭锁器4，使其闭锁气缸4-1的出气口瞬间打开，通过连接机构6，使气体瞬间冲入实验发动机7中，压力传感器采集实验发动机7的压力信号，将压力信号转化为电信号传送给放大电路8，放大电路8将电信号放大后送入数据采集卡9，数据采集卡9将电信号转化为数字信号，输入计算机，从而获得实验发动机7内部实时压力数据。
高压氮气罐1放出压强为2MPa的高压氮气，进入暂存式储气罐2中，通过闭合的气动闭锁器4，暂存于暂存式储气罐2中，通过电机控制电动推拉杆5拉动闭锁器4，打开气压存储装置2，使气体瞬间冲入实验发动机7中，此处实验发动机7通过去掉挡药板7-2，装入类似贴壁浇铸药，此时发动机内只有药柱内腔，此时只需要在实验发动机7上安装连接有加长管的传感器接头7-3。连接在实验发动机7上的压力传感器只采集到圆管药内腔的压力信号，然后输出电压信号，该电压信号经过放大电路8，被数据采集卡9转化为数字信号并将数字信号输入给电脑，通过软件实时记录信号。
本发明在模拟发动机工作过程中，通过实时测量发动机各个位置压力，可以较好地解决了发动机点火阶段，发动机内复杂压力难以测量的工程难题。
结构设计简单，在满足基本实验要求情况下，可以通过改变喷嘴形状，改变气体喷出形式；通过改变发动机内药柱形状，测试不同药柱内压或外压；通过端盖上加工接线器，可以方便引出贴于药柱表面的应变片线，测量药柱表面应变响应。
试验***在设计加工时，均通过准确的理论计算，以及高精度机器加工，足以确保整个试验***在极高试验压强下的安全稳定性；并且整个试验***设计简洁，只需2个试验研人员就可以轻松搭建及操作。

Claims (7)

1.一种固体发动机冷气冲击实验装置，其特征在于：包括高压氮气罐（1）、暂存式储气罐（2）、可移动固定支架（3）、气动闭锁器（4）、电动推拉杆（5）、连接机构（6）、实验发动机（7）、压力传感器、放大电路（8）和数据采集卡（9）；高压氮气罐（1）通过气管与暂存式储气罐（2）连接，气动闭锁器（4）两端通过法兰分别与暂存式储气罐（2）和连接机构（6）连接，闭气端与电动推拉杆（5）连接，连接机构（6）另一端与实验发动机（7）连接，实验发动机（7）上设有若干个压力传感器，压力传感器依次与放大电路（8）和数据采集卡（9）连接；高压氮气罐（1）、暂存式储气罐（2）、气动闭锁器（4）、电动推拉杆（5）、连接机构（6）和实验发动机（7）均设置在可移动固定支架（3）上；
气动闭锁器（4）在闭合时密封暂存式储气罐（2）中的高压气体，通过电动推拉杆（5）拉动气动闭锁器（4），使其闭锁气缸4-1的出气口瞬间打开，通过连接机构（6），使气体瞬间冲入实验发动机（7）中，压力传感器采集实验发动机（7）的压力信号，将压力信号转化为电信号传送给放大电路（8），放大电路（8）将电信号放大后送入数据采集卡（9），数据采集卡（9）将电信号转化为数字信号，输入计算机，从而获得实验发动机（7）内部实时压力数据。
2.根据权利要求1所述的固体发动机冷气冲击实验装置，其特征在于：所述连接机构（6）包括连接管（6-1）和喷嘴（6-2），连接管（6-1）一端通过法兰与气动闭锁器（4）固连，另一端通过螺纹与实验发动机（7）固连，喷嘴（6-2）通过螺纹固定在与实验发动机（7）固连的一端内壁。
3.根据权利要求2所述的固体发动机冷气冲击实验装置，其特征在于：所述实验发动机（7）包括发动机壳体（7-1）、挡药板（7-2）、压力传感器接头（7-3）、药柱、端盖（7-4）和泄压口（7-5），发动机壳体（7-1）一端通过螺纹与连接管（6-1）连接，另一端设有端盖（7-4），两个挡药板（7-2）间隔固定在发动机壳体（7-1）内，药柱设置在两个挡药板（7-2）之间的发动机壳体（7-1）内，两个挡药板（7-2）之间的发动机壳体（7-1）上分布若干个压力传感器接口，压力传感器接头（7-3）固定在压力传感器接口上，压力传感器设置在压力传感器接头（7-3）上，泄压口（7-5）设置在发动机壳体（7-1）上。
4.根据权利要求3所述的固体发动机冷气冲击实验装置，其特征在于：所述挡药板（7-2）为环形板。
5.根据权利要求3所述的固体发动机冷气冲击实验装置，其特征在于：所述压力传感器接头（7-3）包括固定座和螺纹管，螺纹管一端设有固定座，另一端与发动机壳体（7-1）通过螺纹固连，固定座与螺纹管连接面上设有圆孔与螺纹管连通，压力传感器固定在固定座内。
6.根据权利要求5所述的固体发动机冷气冲击实验装置，其特征在于：所述压力传感器接头（7-3）还包括加长管，加长管与螺纹管的另一端固连且相通。
7.根据权利要求1所述的固体发动机冷气冲击实验装置，其特征在于：所述气动闭锁器（4）包括闭锁器缸（4-1）、闭锁器活塞体（4-2）、滑动体（4-3）、顶螺栓（4-4）和连杆（4-5），闭锁器缸（4-1）中心设有定位孔，闭锁器活塞体（4-2）***闭锁器缸（4-1）的定位孔中，其底部自定位孔底部伸出闭锁器缸（4-1），滑动体（4-3）固定在闭锁器活塞体（4-2）顶部，顶螺栓（4-4）穿过连杆（4-5）压在滑动体（4-3）顶部，且通过螺纹与连杆（4-5）的一端连接，连杆（4-5）的另一端与电动推拉杆（5）连接。
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