專利名稱：一種固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的試驗(yàn)裝置，具體地說，涉及一種固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置。屬于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其實(shí)驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域，適用于模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后燃燒室內(nèi)增壓過程，觀測(cè)研究固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展變化規(guī)律及其影響因素的試驗(yàn)。
背景技術(shù)：
固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑在生產(chǎn)及點(diǎn)火過程中，由于受到各種應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋對(duì)固體推進(jìn)劑的燃燒特性有重大影響，極端情況下有可能發(fā)生爆炸。目前，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)固體推進(jìn)劑進(jìn)行了大量有關(guān)裂紋燃燒和擴(kuò)展機(jī)理、制約因素的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了多種裂紋模擬試驗(yàn)裝置?，F(xiàn)有公開的文獻(xiàn)CTodd E. Earnest，RSRMTP-H1148 Main Grain Propellant Crack Initiation Evaluation[R]. AIAA 2005-3601.)中介紹了在研究燃燒引起的裂紋擴(kuò)展時(shí)， 采用的一套高速攝像系統(tǒng)，它包括模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)三大部分。 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室是一端帶透明有機(jī)玻璃窗口的圓柱形系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括壓力測(cè)量系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。該試驗(yàn)裝置中不同的裂紋擴(kuò)展自由體積對(duì)應(yīng)各自的推進(jìn)劑試件支撐盤， 要做對(duì)比實(shí)驗(yàn)必須更換支撐盤，這會(huì)對(duì)試驗(yàn)裝置的氣密性造成影響，并且操作復(fù)雜。在文獻(xiàn)“固體推進(jìn)劑裂紋燃燒時(shí)擴(kuò)展條件的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析[D].，，(海軍航空工程學(xué)院碩士論文，1999.)、“固體推進(jìn)劑裂紋燃燒與擴(kuò)展的研究[D].，，(海軍航空工程學(xué)院碩士論文，2000.)、“固體推進(jìn)劑裝藥裂紋內(nèi)燃燒流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].，，(《推進(jìn)技術(shù)》 2000,21(5) :58-60.)中介紹的大都采用X射線高速實(shí)時(shí)熒屏分析系統(tǒng)(RTR)作為裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。X射線高速實(shí)時(shí)熒屏分析系統(tǒng)(RTR)是一種研究不透明高壓燃燒器或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜工作過程的非接觸式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該系統(tǒng)由X射線發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、高速錄像系統(tǒng)、時(shí)間控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速運(yùn)動(dòng)分析儀組成。它的主要工作原理是利用X 射線成像原理來(lái)攝取發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的工作過程，同時(shí)利用壓力傳感器還可獲取壓力-時(shí)間曲線。該裝置中采用沿X射線方向厚度均勻的矩形發(fā)動(dòng)機(jī)以得到背景均勻的圖像。但是，該實(shí)驗(yàn)裝置只能進(jìn)行推進(jìn)劑燃燒條件下的裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，不能進(jìn)行冷氣充壓條件下的實(shí)驗(yàn)， 提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠充分，與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作條件有一定的差距。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)操作復(fù)雜，裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)條件單一的不足，本發(fā)明提出一種固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，該裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置通過更換傾斜角度不同的楔形塊，實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展自由體積的多次調(diào)節(jié)；通入氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)冷氣充壓條件下裂紋擴(kuò)展情況的測(cè)試；增加點(diǎn)火藥包和點(diǎn)火藥包導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑燃燒條件下裂紋擴(kuò)展情況的測(cè)試；該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作安全可靠。本發(fā)明解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案是裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置包括前法蘭盤、
3后法蘭盤、支撐盤、焊接嘴、觀察窗、前密封圈、后密封圈、推進(jìn)劑試件和楔形塊組成。所述的支撐盤為空心扁圓柱形，前后貫通的空心內(nèi)腔呈上下疊加的兩個(gè)大小方框結(jié)構(gòu)，支撐盤的頂部設(shè)置有兩個(gè)與空心內(nèi)腔相通的圓通孔，兩個(gè)圓通孔呈V字形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)圓通孔上安裝有焊接嘴，兩個(gè)焊接嘴各自與電磁閥和節(jié)流孔板相連接，支撐盤的前端面設(shè)有放置前密封圈的環(huán)形凹槽，扁圓柱形的觀察窗安裝固定在支撐盤與前法蘭盤之間均為緊密配合；支撐盤空心內(nèi)腔為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，推進(jìn)劑試件放置在空心內(nèi)腔，推進(jìn)劑試件的兩側(cè)使用兩塊α角度相同的楔形塊固定，通過使用不同α角的楔形塊，調(diào)節(jié)推進(jìn)劑試樣與燃燒室殼體間自由體積的大小。所述的前法蘭盤的前端設(shè)置有觀察燃燒試件的窗口，后端設(shè)置有與觀察窗外圓直徑相同的凹槽，沿前法蘭盤周向均布設(shè)置四個(gè)通孔。所述的后法蘭盤與支撐盤相接的端面上設(shè)置有兩層凸臺(tái)，固定支撐盤和后密封圈，后法蘭盤另一端面為平面，沿后法蘭盤周向均布設(shè)置四個(gè)通孔。所述的楔形塊截面呈上寬下窄，一面有傾斜度的梯形狀，楔形塊的厚度與推進(jìn)劑試件的厚度相同，楔形塊的傾斜度面與推進(jìn)劑試件的側(cè)面形成α角，楔形塊α角為10°至 30°。所述的前法蘭盤和后法蘭盤之間夾緊觀察窗與支撐盤時(shí)使用螺栓連接，且與推進(jìn)劑試件的中心在同一軸線上。前法蘭盤、后法蘭盤、支撐盤均為不銹鋼材料制成，觀察窗材料為石英玻璃。通過觀察窗記錄下裂紋擴(kuò)展過程，推算出裂紋擴(kuò)展的速度與時(shí)間的關(guān)系，本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)冷氣充壓條件下裂紋擴(kuò)展情況測(cè)試的原理是在測(cè)試試驗(yàn)中，使模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室盡可能接近發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的真實(shí)情況。所采用的推進(jìn)劑試件上預(yù)制一定長(zhǎng)度的初始裂紋；通過控制氣瓶壓力、進(jìn)氣閥門和節(jié)流孔板的直徑來(lái)控制由支撐盤及試件圓弧表面所形成的空腔內(nèi)的升壓速率及最大壓力。試驗(yàn)時(shí)推進(jìn)劑試件兩側(cè)及底面固定，高壓氣流進(jìn)入空腔，空腔內(nèi)的壓力急劇上升，從而使試件上的初始裂紋擴(kuò)展。本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑燃燒條件下裂紋擴(kuò)展情況測(cè)試的原理是在測(cè)試試驗(yàn)中， 使模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室盡可能接近發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的真實(shí)情況。在模擬燃燒室采用的推進(jìn)劑試件上預(yù)制一定長(zhǎng)度的初始裂紋；通過控制點(diǎn)火藥包的大小和節(jié)流孔板的直徑來(lái)控制空腔內(nèi)的升壓速率。推進(jìn)劑試件兩側(cè)及底面固定，瞬時(shí)點(diǎn)火后增壓，點(diǎn)燃推進(jìn)劑開始燃燒，空腔內(nèi)的壓力急劇上升，從而使試件上的初始裂紋擴(kuò)展。在以上兩種試驗(yàn)中，模擬燃燒室中的推進(jìn)劑試件兩側(cè)的空腔中放置楔形塊，通過使用不同α角的楔形塊，調(diào)節(jié)推進(jìn)劑試件與支撐盤殼壁面間自由體積的大小，來(lái)模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體對(duì)推進(jìn)劑藥柱約束的剛度。有益效果本發(fā)明固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，通過更換傾斜角度不同的楔形塊，實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展自由體積的多次調(diào)節(jié)；通入氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)冷氣充壓條件下裂紋擴(kuò)展情況的測(cè)試；增加點(diǎn)火藥包和點(diǎn)火藥包導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑燃燒條件下裂紋擴(kuò)展情況的測(cè)試。試驗(yàn)裝置可操作性強(qiáng)，可分別得到冷氣充壓條件和推進(jìn)劑燃燒條件下的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加充分翔實(shí)；推進(jìn)劑試件與支撐盤壁面間自由體積的調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單易行，只需放置不同傾斜角度的楔形塊即可，不需制作不同自由體積的支撐盤。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作安全可靠，特別適
4用于模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后燃燒室內(nèi)增壓過程，觀測(cè)固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展情況，研究固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展變化規(guī)律及其影響因素的試驗(yàn)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的示意圖。圖3為楔形塊位置示意圖。圖4為本發(fā)明的支撐盤示意圖。圖5為本發(fā)明的支撐盤左視圖。圖6為本發(fā)明的前法蘭盤示意圖。圖7為本發(fā)明的后法蘭盤示意圖。圖中1.后密封圈 2.后法蘭盤 3.焊接嘴 4.前法蘭盤 5.支撐盤6.觀察窗7.推進(jìn)劑試件 8.前密封圈 9.支撐盤壁面 10.楔形塊
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例是一種固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置。包括后密封圈1、后法蘭盤2、焊接嘴3、前法蘭盤4、支撐盤5、觀察窗6、推進(jìn)劑試件7、前密封圈8、支撐盤壁面9、楔形塊10。圖1是本發(fā)明固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖。試驗(yàn)裝置的支撐盤5為空心扁圓柱形，前后貫通的空心內(nèi)腔呈上下疊加的兩個(gè)大小方框結(jié)構(gòu)，支撐盤5的頂部設(shè)置有兩個(gè)與空心內(nèi)腔相通的圓通孔，兩個(gè)圓通孔呈V字形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)圓通孔上安裝有焊接嘴， 兩個(gè)焊接嘴各自與電磁閥和節(jié)流孔板相連接，支撐盤5的前端面設(shè)有放置前密封圈的環(huán)形凹槽，扁圓柱形的觀察窗6安裝固定在支撐盤與前法蘭盤4之間均為緊密配合；支撐盤5空心內(nèi)腔為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，推進(jìn)劑試件7放置在支撐盤5的空心內(nèi)腔，推進(jìn)劑試件7的兩側(cè)使用兩塊α角度相同的楔形塊10固定，通過使用不同α角的楔形塊，調(diào)節(jié)推進(jìn)劑試件與燃燒室殼體間自由體積的大小。前法蘭盤4的前端設(shè)置有觀察燃燒試件的窗口，后端設(shè)置有與觀察窗外圓直徑相同的凹槽，沿前法蘭盤4周向均布設(shè)置四個(gè)通孔，如圖6所示。后法蘭盤2與支撐盤相接的端面上設(shè)置有兩層凸臺(tái)，固定支撐盤5和后密封圈1， 后法蘭盤另一端面為平面，沿后法蘭盤2周向均布設(shè)置四個(gè)通孔，如圖7所示。圓柱形的觀察窗6安裝固定在支撐盤5和圓盤狀的前法蘭盤4之間，觀察窗6與支撐盤5、觀察窗6與前法蘭盤4之間均為緊密配合；在支撐盤5與觀察窗6、支撐盤5與后法蘭盤2之間使用0型圈密封，將前法蘭盤和后法蘭盤之間夾緊觀察窗與支撐盤時(shí)使用四根螺栓連接，擰緊確保無(wú)松動(dòng)。前法蘭盤和后法蘭盤之間夾緊觀察窗與支撐盤時(shí)使用螺栓連接，且與推進(jìn)劑試件的中心在同一軸線上。分別連上內(nèi)徑為5mm的焊接嘴3。參見圖2、圖3楔形塊截面呈上寬下窄，一面有傾斜度的梯形狀，楔形塊10的厚度與推進(jìn)劑試件7的厚度相同，楔形塊10的傾斜度面與推進(jìn)劑試件的側(cè)面形成α角，楔形塊α角為10°至30°。如圖4、圖5所示，所采用的推進(jìn)劑試件7上用小刀預(yù)制一定長(zhǎng)度的初始裂紋。通過控制點(diǎn)火電荷的大小和節(jié)流孔板的喉徑來(lái)控制升壓速率。試驗(yàn)中，試樣兩側(cè)及底面固定， 點(diǎn)火后，推進(jìn)劑開始燃燒，空腔內(nèi)的壓力急劇上升，從而使試樣上的初始裂紋擴(kuò)展。在以上兩種試驗(yàn)中，在推進(jìn)劑試樣兩側(cè)的空腔中放置楔形塊，通過使用不同α角的楔形塊10，調(diào)節(jié)推進(jìn)劑試件7與升壓室殼體間自由體積的大小，模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體對(duì)推進(jìn)劑藥柱約束的剛度。本發(fā)明固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置其裝配過程如下(1)將圓盤狀的后法蘭盤2平放，在其上裝配空心圓柱形的支撐盤5，空心部分為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，其內(nèi)部放置推進(jìn)劑試件7，其上含焊接嘴3，兩者之間用后密封圈1密封；(2)將前密封圈8裝配在支撐盤5中的圖示位置，同時(shí)將制作好的推進(jìn)劑試件7置入支撐盤5的內(nèi)腔(即模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室)，支撐盤內(nèi)的適當(dāng)位置，然后用兩塊楔形塊將試件的兩側(cè)固定；(3)將圓柱形的觀察窗6緊密配合裝配在支撐盤5的凹槽內(nèi)，并適當(dāng)?shù)膲壕o；(4)裝配圓盤狀的前法蘭盤4，壓緊前法蘭盤4、后法蘭盤，將兩者用螺栓連接，擰緊確保無(wú)松動(dòng)。 冷氣條件下的試驗(yàn)流程用一定形狀的模具制作若干推進(jìn)劑試件7，在推進(jìn)劑試件7的凹槽中央位置預(yù)制一定長(zhǎng)度大小的裂紋，取其中一塊置入升壓室內(nèi)，在其兩側(cè)放置一對(duì)楔形塊10，然后完成整套試驗(yàn)裝置的裝配；裝配完成后，冷氣充壓試驗(yàn)時(shí)需為試驗(yàn)裝置配套供氣系統(tǒng)，在冷氣充壓的氣流入口處連接上電磁閥，氣流出口處連接上壓力傳感器和節(jié)流孔板。打開電磁閥，完成充壓過程。燃燒條件下的試驗(yàn)流程用一定形狀的模具制作若干推進(jìn)劑試件，在所有試樣的凹槽中央位置預(yù)制一定長(zhǎng)度大小的裂紋，取其中一塊置入升壓室內(nèi)，在其兩側(cè)放置一對(duì)楔形塊10，接好點(diǎn)火電路，然后完成整套試驗(yàn)裝置的裝配；推進(jìn)劑燃燒試驗(yàn)時(shí)，需在冷氣充壓試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，在由支撐盤及試件圓弧表面所形成的空腔內(nèi)放置點(diǎn)火藥包，并引出點(diǎn)火藥包導(dǎo)線，使電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，引燃點(diǎn)火藥包，完成燃燒試驗(yàn)。觀察高速攝影儀所拍攝的推進(jìn)劑試樣上初始裂紋的擴(kuò)展過程，并記錄裂紋擴(kuò)展的特點(diǎn)；改變點(diǎn)火電荷的大小、節(jié)流孔板的喉徑和楔形塊的傾斜度，做對(duì)比試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，包括前法蘭盤、后法蘭盤、支撐盤、焊接嘴、觀察窗、前密封圈、后密封圈、推進(jìn)劑試件和楔形塊，其特征在于所述的支撐盤為空心扁圓柱形，前后貫通的空心內(nèi)腔呈上下疊加的兩個(gè)大小方框結(jié)構(gòu)，支撐盤的頂部設(shè)置有兩個(gè)與空心內(nèi)腔相通的圓通孔，兩個(gè)圓通孔呈V字形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)圓通孔上安裝有焊接嘴，兩個(gè)焊接嘴各自與電磁閥和節(jié)流孔板相連接，支撐盤的前端面設(shè)有放置前密封圈的環(huán)形凹槽，扁圓柱形的觀察窗安裝固定在支撐盤與前法蘭盤之間均為緊密配合；支撐盤空心內(nèi)腔為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，推進(jìn)劑試件放置在空心內(nèi)腔，推進(jìn)劑試件的兩側(cè)使用兩塊α角度相同的楔形塊固定，通過使用不同α角的楔形塊，調(diào)節(jié)推進(jìn)劑試樣與燃燒室殼體間自由體積的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的前法蘭盤的前端設(shè)置有觀察燃燒試件的窗口，后端設(shè)置有與觀察窗外圓直徑相同的凹槽，沿前法蘭盤周向均布設(shè)置四個(gè)通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的后法蘭盤與支撐盤相接的端面上設(shè)置有兩層凸臺(tái)，固定支撐盤和后密封圈，后法蘭盤另一端面為平面，沿后法蘭盤周向均布設(shè)置四個(gè)通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的楔形塊截面呈上寬下窄，一面有傾斜度的梯形狀，楔形塊的厚度與推進(jìn)劑試件的厚度相同，楔形塊的傾斜度面與推進(jìn)劑試件的側(cè)面形成α角，楔形塊α角為10°至30°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的前法蘭盤和后法蘭盤之間夾緊觀察窗與支撐盤時(shí)使用螺栓連接，且與推進(jìn)劑試件的中心在同一軸線上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，其內(nèi)部放置推進(jìn)劑試件；推進(jìn)劑試件固定于支撐盤內(nèi)腔，用兩塊楔形塊將推進(jìn)劑試件的兩側(cè)固定；圓柱形的觀察窗裝配于支撐盤和前法蘭盤之間，觀察窗與支撐盤、觀察窗與前法蘭盤之間均為緊密配合；前法蘭盤、后法蘭盤之間用對(duì)稱分布的四根螺栓連接。支撐盤頂部開有兩個(gè)通孔，分別安裝兩個(gè)焊接嘴與電磁閥和節(jié)流孔板相連。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作安全可靠，特別適用于模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后燃燒室內(nèi)增壓過程，觀測(cè)固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展情況，研究固體推進(jìn)劑裂紋擴(kuò)展變化規(guī)律及其影響因素的試驗(yàn)。
文檔編號(hào)G01N3/10GK102426215SQ201110274590
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者劉松啟, 劉迎吉, 吳素麗 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)