液体推进剂燃烧反应机理测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于发动机研发领域，涉及液体推进剂燃烧反应机理测试技术，特别是涉及一种液体推进剂燃烧反应机理测试装置及测试方法。

背景技术

液体推进剂是现代液体火箭发动机使用最广泛最多的推进剂。液体推进剂的燃烧反应机理对发动机设计至关重要，有了正确、全面的液体推进剂燃烧反应机理，才能使发动机设计状态与实际使用情况接近。然而，目前在发动机设计方面，部分液体推进剂燃烧参数无法直接获取，提升了发动机的设计研发难度。因此，有必要提出一种专门针对液体推进剂燃烧反应机理的测试技术，以获取准确、全面的液体推进剂燃烧反应机理参数，为发动机设计研发积累相关技术基础和经验。

发明内容

本发明的目的是提供一种液体推进剂燃烧反应机理测试装置及测试方法，其能够模拟液体推进剂燃烧反应机理，并据此获取准确、全面的液体推进剂燃烧参数，以解决上述现有技术由于部分液体推进剂燃烧参数无法直接获取，从而提升了发动机设计研发难度的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种液体推进剂燃烧反应机理测试装置，包括：

燃烧腔室，所述燃烧腔室内配置有点火装置；

推进剂供给单元，所述推进剂供给单元与所述燃烧腔室相连，用于向所述燃烧腔室提供液体推进剂；

氧化剂供给单元，所述氧化剂供给单元与所述燃烧腔室相连，用于向所述燃烧腔室提供氧化剂，以为所述液体推进剂提供燃烧环境；

测控单元，所述测控单元包括控制系统、第一压力传感器、温度传感器、气质联用仪和图像采集装置，所述第一压力传感器、所述温度传感器和所述气质联用仪均与所述燃烧腔室相连，所述图像采集装置用于获取所述燃烧腔室内燃烧反应产生的火焰图像；所述第一压力传感器、所述温度传感器、所述气质联用仪和所述图像采集装置均与所述控制系统通讯连接。

可选的，还包括燃烧腔室废气处理单元，所述燃烧腔室废气处理单元用于收集并处理所述燃烧腔室内燃烧产生的废气。

可选的，所述燃烧腔室废气处理单元包括废气收集装置和与所述废气收集装置相连的废气处理装置。

可选的，所述推进剂供给单元包括通过管路依次连接的第一氮气瓶、第一燃料废气处理装置、燃料贮箱和燃料路气动阀，所述燃料路气动阀与所述燃烧腔室相连，所述第一氮气瓶与所述第一燃料废气处理装置之间、所述第一燃料废气处理装置与所述燃料贮箱之间、所述燃料贮箱与所述燃料路气动阀之间均设置有第一手动截止阀；所述燃料路气动阀与所述燃烧腔室之间还设置有第二压力传感器，所述第一氮气瓶的出气口和所述第一燃料废气处理装置的进气口还分别设置有第一自动调压减压器和第一泄压气动阀；

所述燃料路气动阀、所述第一自动调压减压器、所述第一泄压气动阀和所述第二压力传感器均与所述控制系统通讯连接。

可选的，所述推进剂供给单元还包括依次连接的第二燃料废气处理装置、第一排气截止阀、燃料接收罐、第一透明玻璃管和第一放液截止阀，所述第一放液截止阀连接于所述燃料路气动阀与所述燃料贮箱之间；

所述第一排气截止阀和所述第一放液截止阀均与所述控制系统通讯连接。

可选的，所述氧化剂供给单元包括通过管路依次连接的第二氮气瓶、第一氧化剂废气处理装置、氧化剂贮箱和氧化剂路气动阀，所述氧化剂路气动阀与所述燃烧腔室相连，所述第二氮气瓶与所述氧化剂废气处理装置之间、所述氧化剂废气处理装置与所述氧化剂贮箱之间、所述氧化剂贮箱与所述氧化剂路气动阀之间均设置有第二手动截止阀；所述氧化剂路气动阀与所述燃烧腔室之间还设置有第三压力传感器，所述第二氮气瓶的出气口和所述氧化剂废气处理装置的进气口还分别设置有第二自动调压减压器和第二泄压气动阀；

所述氧化剂路气动阀、所述第二自动调压减压器、所述第二泄压气动阀和所述第三压力传感器均与所述控制系统通讯连接。

可选的，所述氧化剂供给单元还包括依次连接的第二氧化剂废气处理装置、第二排气截止阀、氧化剂接收罐、第二透明玻璃管和第二放液截止阀，所述第二放液截止阀连接于所述氧化剂路气动阀与所述氧化剂贮箱之间；

所述第二排气截止阀和所述第二放液截止阀均与所述控制系统通讯连接。

可选的，所述图像采集装置设置于所述燃烧腔室的外部，所述燃烧腔室上设置有供所述图像采集装置进行图像采集的透明玻璃视窗。

可选的，所述图像采集装置为高速摄像机。

本发明还提出一种液体推进剂燃烧反应机理测试方法，采用如上任意一项所述的液体推进剂燃烧反应机理测试装置实施，包括：

向所述燃烧腔室内通入所述氧化剂和所述液体推进剂，并通过所述点火装置点燃所述液体推进剂；

通过所述温度传感器测量燃烧产生的温度，通过所述第一压力传感器测量燃烧产生的压力，通过所述图像采集装置记录燃烧的火焰长度，通过所述气质联用仪分析燃烧产生的气体产物；通过所述控制系统采集所述温度传感器、所述第一压力传感器、所述图像采集装置和所述气质联用仪的数据。

可选的，所述液体推进剂燃烧反应机理测试方法还包括：

对燃烧产生的气体产物，采用量子化学的方法进行液体推进剂燃烧的阿雷尼乌斯方程求解计算，然后在数值仿真模型中采用所述阿雷尼乌斯方程，对燃烧产生的温度、压力及火焰长度进行模拟，然后将模拟结果与实际测试结果进行比对，验证燃烧反应机理的准确性。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的液体推进剂燃烧反应机理测试装置，结构新颖合理，其可实现不同混合比例的氧化剂和液体推进剂在不同压力工况下的燃烧反应机理测试，并在燃烧过程中，通过温度传感器和压力传感器分别测试燃烧腔室内温度、压力变化情况，通过图像采集装置采集燃烧腔室内的火焰相关数据，通过气质联用仪对燃烧腔室内的燃烧产物进行分析，从而可提供多方面的燃烧反应机理验证数据，以便综合判断反应机理正确性，填补了目前针对液体推进剂燃烧反应参数全面获取的技术空白。

本发明提出的液体推进剂燃烧反应机理测试方法，操作简便，可获取多方面的燃烧反应机理验证数据，以便综合判断反应机理正确性，填补了目前针对液体推进剂燃烧反应参数全面获取的技术空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的液体推进剂燃烧反应机理测试装置的整体结构示意图。

其中，附图标记为：

100、液体推进剂燃烧反应机理测试装置；

1、燃烧腔室；11、透明玻璃视窗；

2、推进剂供给单元；21、第一氮气瓶；22、第一燃料废气处理装置；23、燃料贮箱；24、燃料路气动阀；25、第一手动截止阀；26、第二压力传感器；27、第一自动调压减压器；28、第一泄压气动阀；29、第二燃料废气处理装置；210、第一排气截止阀；211、燃料接收罐；212、第一透明玻璃管；213、第一放液截止阀；214、第一流量计；

3、氧化剂供给单元；31、第二氮气瓶；32、第一氧化剂废气处理装置；33、氧化剂贮箱；34、氧化剂路气动阀；35、第二手动截止阀；36、第三压力传感器；37、第二自动调压减压器；38、第二泄压气动阀；39、第二氧化剂废气处理装置；310、第二排气截止阀；311、氧化剂接收罐；312、第二透明玻璃管；313、第二放液截止阀；314、第二流量计；

4、控制系统；5、第一压力传感器；6、温度传感器；7、气质联用仪；8、图像采集装置；9、废气收集装置；10、废气处理装置。

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做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。

本发明的目的之一是提供一种液体推进剂燃烧反应机理测试装置，其能够模拟液体推进剂燃烧反应机理，并据此获取准确、全面的液体推进剂燃烧参数，以解决现有技术由于部分液体推进剂燃烧参数无法直接获取，从而提升了发动机设计研发难度的问题。

本发明的另一目的还在于提供一种采用上述液体推进剂燃烧反应机理测试装置实施的液体推进剂燃烧反应机理测试方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种液体推进剂燃烧反应机理测试装置100，主要包括燃烧腔室1、推进剂供给单元2、氧化剂供给单元3和测控单元。其中，燃烧腔室1内配置有用于点燃液体推进剂的点火装置，点火装置可为现有的击发类点火装置和电发类点火装置；推进剂供给单元2与燃烧腔室1相连，用于向燃烧腔室1提供待测试的燃料，燃料可为单组元液体推进剂、双组元液体推进剂中的燃料或多组元液体推进剂中的燃料；氧化剂供给单元3与燃烧腔室1相连，用于向燃烧腔室1提供氧化剂，以为燃料提供燃烧环境，氧化剂可为四氧化二氮、绿色四氧化二氮或硝酸-27S；测控单元包括控制系统4、第一压力传感器5、温度传感器6、气质联用仪7和图像采集装置8，第一压力传感器5、温度传感器6和气质联用仪7均与燃烧腔室1相连，以分别测量液体推进剂燃烧过程中，燃烧腔室1内的室压、温度以及燃烧产生的气体产物，图像采集装置8用于获取燃烧腔室1内燃烧反应产生的火焰图像，以获取火焰长度等相关火焰参数。上述第一压力传感器5、温度传感器6、气质联用仪7和图像采集装置8均与控制系统4通讯连接，控制系统4接收各部件的检测或分析数据，以获得包含温度、压力等参数在内的液体推进剂燃烧反应参数。上述气质联用仪7为一种现有的在线气质联用仪，具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例中，考虑到环保问题，还设置了燃烧腔室废气处理单元，该燃烧腔室废气处理单元主要用于收集并处理燃烧腔室1内燃烧产生的废气。燃烧腔室废气处理单元主要包括废气收集装置9和与废气收集装置9相连的废气处理装置10。实际操作中，废气收集装置9可为布袋式收尘器或滤筒式收尘器，废气处理装置10可采用催化燃烧设备或等离子治理设备等，废气收集装置9和废气处理装置10均采用现有的技术，具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例中，推进剂供给单元2包括通过管路依次连接的第一氮气瓶21、第一燃料废气处理装置22、燃料贮箱23和燃料路气动阀24，从而形成“燃料路”，燃料贮箱23内存放的即是液体推进剂。上述“燃料路”的燃料路气动阀24与燃烧腔室1相连，第一氮气瓶21与第一燃料废气处理装置22之间、第一燃料废气处理装置22与燃料贮箱23之间、燃料贮箱23与燃料路气动阀24之间均设置有第一手动截止阀25；燃料路气动阀24与燃烧腔室1之间还设置有第二压力传感器26，用以实时监测“燃料路”的气压；第一氮气瓶21的出气口和第一燃料废气处理装置22的进气口还分别设置有第一自动调压减压器27和第一泄压气动阀28。推进剂供给单元2中，还包括依次连接的第二燃料废气处理装置29、第一排气截止阀210、燃料接收罐211、第一透明玻璃管212和第一放液截止阀213，第一放液截止阀213连接于燃料路气动阀24与燃料贮箱23之间。上述燃料路气动阀24、第一自动调压减压器27、第一泄压气动阀28、第二压力传感器26、第一排气截止阀210和第一放液截止阀213均与控制系统4通讯连接，测试过程中，由控制系统4控制上述各阀门的启闭以及开度。

本实施例中，氧化剂供给单元3包括通过管路依次连接的第二氮气瓶31、第一氧化剂废气处理装置32、氧化剂贮箱33和氧化剂路气动阀34，从而形成“氧化剂路”，氧化剂贮箱33内存放的即是供液体推进剂燃烧的氧化剂。上述“氧化剂路”的氧化剂路气动阀34与燃烧腔室1相连，第二氮气瓶31与氧化剂废气处理装置10之间、氧化剂废气处理装置10与氧化剂贮箱33之间、氧化剂贮箱33与氧化剂路气动阀34之间均设置有第二手动截止阀35；氧化剂路气动阀34与燃烧腔室1之间还设置有第三压力传感器36，用以实时监测“氧化剂路”的气压；第二氮气瓶31的出气口和氧化剂废气处理装置10的进气口还分别设置有第二自动调压减压器37和第二泄压气动阀38。氧化剂供给单元3中还包括依次连接的第二氧化剂废气处理装置39、第二排气截止阀310、氧化剂接收罐311、第二透明玻璃管312和第二放液截止阀313，第二放液截止阀313连接于氧化剂路气动阀34与氧化剂贮箱33之间。上述氧化剂路气动阀34、第二自动调压减压器37、第二泄压气动阀38和第三压力传感器36、第二排气截止阀310和第二放液截止阀313均与控制系统4通讯连接，测试过程中，由控制系统4控制上述各阀门的启闭以及开度。

本实施例中，为了避免燃烧腔室1内的燃烧环境影响图像采集装置8的正常使用，优选将其设置于燃烧腔室1的外部，基于此，燃烧腔室1上开设了供图像采集装置8进行图像采集的透明玻璃视窗11。为了更精准地获取火焰参数，图像采集装置8可采用高速摄像机，其通过支架等结构支设于燃烧腔室1周围。

本实施例中，各部件之间优选通过内径10mm的不锈钢管路连接。

下面以测试双组元液体推进剂的燃烧反应机理为例，对本实施例上述液体推进剂燃烧反应机理测试装置100的测试过程以及测试原理进行具体说明。

步骤1：在燃料贮箱23与氧化剂贮箱33中分别装入10L燃料(即双组元液体推进剂)、10L氧化剂。

步骤2：将液体推进剂燃烧反应机理测试装置100组装完毕。

步骤3：打开第一氮气瓶21和第二氮气瓶31的阀门。

步骤4：调节第一自动调压减压器27和第二自动调压减压器37，将燃料贮箱23与氧化剂贮箱33压力均增至0.1MPa。

步骤5：打开第一放液截止阀213和第一排气截止阀210，进行推进剂填充，将推进剂填充至燃料路气动阀24入口，然后观察第一透明玻璃管212，当第一透明玻璃管212中无气泡时，填充完毕，关闭第一放液截止阀213和第一排气截止阀210；同时进行氧化剂填充，即打开第二放液截止阀313和第二排气截止阀310，进行氧化剂填充，将氧化剂填充至氧化剂路气动阀34入口，然后观察第二透明玻璃管312，当第二透明玻璃管312中无气泡时，填充完毕，关闭第二放液截止阀313和第二排气截止阀310。

步骤6：通过控制系统4同时打开燃料路气动阀24与氧化剂路气动阀34，保持5秒常开。

步骤7：通过温度传感器6测量燃烧腔室1内燃烧产生的温度，通过第一压力传感器5测量燃烧腔室1内燃烧产生的压力，利用高速摄像机通过透明玻璃视窗11记录燃烧腔室1内燃烧的火焰长度，通过在线气质联用仪分析燃烧腔室1内燃烧产生的气体产物，期间所有温度、压力等数据均由控制系统4采集、处理。

步骤8：根据控制系统4获取的燃烧产生的气体产物数据，采用量子化学的方法进行双组元液体推进剂燃烧的阿累尼乌斯方程(又称“阿伦尼乌斯方程”)求解计算，然后在数值仿真模型中采用该阿累尼乌斯方程(又称“阿伦尼乌斯方程”)，对燃烧产生的温度压力及火焰长度进行模拟，并将模拟结果与实际测试结果进行比对，验证燃烧反应机理的准确性。

步骤9：可按照不同燃料和氧化剂的混合比、不同压力工况进行上述测试。

本技术方案提出的液体推进剂燃烧反应机理测试装置100以及相应的测试方法，通过调整氧化剂贮罐与燃料贮罐压力来控制各自流量，可按照不同混合比、不同压力工况进行测试，测试燃烧腔室内温度、压力变化情况，通过图像采集装置采集燃烧腔室内的火焰长度数据，通过气质联用仪对燃烧腔室内的燃烧产物进行分析，最后结合仿真计算方法来验证、判断液体推进剂的燃烧反应机理。本技术方案的提出，填补了目前针对液体推进剂燃烧反应参数全面获取的技术空白，具体有益效果如下：

1.本技术方案可对双组元液体推进剂燃烧产生的火焰长度、气体产物、温度、压力数据进行测量，可提供多方面的燃烧反应机理验证数据，综合判断反应机理正确性；

2.本技术方案的高速摄像机可测量燃料与氧化剂在燃烧腔室从相遇到着火的着火延迟期、火焰长度等光学信号，满足高温高压条件下对燃烧火焰的光学信号测量需求；

3.本技术方案的装置采用闭环式连接，并设置了相应的废气处理装置，在测试全过程中，避免了对环境的污染，所有物质处理实现了闭环，可以快速重复测试试验。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。