一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统

1.本发明涉及一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统，尤其涉及一种由激振器带动的可视化固体推进剂高压振动燃烧器与利用高速摄影技术的推进剂振动燃烧测试系统，属于固体推进剂测试领域。


背景技术：

2.固体火箭发动机因其具有结构简单、易于维护、可靠性高等优点，被应用于多种飞行器当中。在飞行器做跨声速加速或大攻角机动时，不仅会出现高过载现象，而且由于气动力的作用很容易引起颤振，发动机有时会出现不稳定燃烧现象，严重影响飞行性能甚至使用安全。复杂的力学环境是诱发固体推进剂不稳定燃烧的原因。一般情况下，飞行过载和飞行振动对固体推进剂燃烧的影响最大。
3.目前，国内外对于固体火箭发动机过载、振动的飞行环境载荷地面模拟已经有了解决方案，例如使用火箭滑撬和离心过载台可以模拟过载环境、利用振动台可以模拟飞行振动。但这些都是针对特定固体发动机的工程测试，没有针对固体推进剂药条开展振动燃烧研究，因而对振动过载引起固体推进剂不稳定燃烧的机理仍未完全掌握。综上所述，结合实际科研需求设计一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统，是十分必要的。


技术实现要素：

4.为了开展振动条件下固体推进剂不稳定燃烧的试验测试，本发明的主要目的之一是提供一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，该燃烧器能避免整体振动，提高实验精度，实现振动过程的精确控制与推进剂药条振动燃烧的直接观测，用于开展各类固体推进剂振动燃烧测试。药条座能够沿着螺杆上下移动，调整位置能够使不同长度的被测药条都能够对准透明视窗，方便开展不同实验；活塞能够实现二力平衡，有效避免一端活塞受到的高压气体推力超过电磁激振器的出力；透过观察窗能够对燃烧室内推进剂药条的燃烧情况进行观察。此外，可视化固体推进剂高压振动燃烧器密封、振动效果好。
5.本发明的另一个主要目的是基于所述一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，提供一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器测试系统，该系统能够在燃烧过程可视化的同时，实现振动幅度、频率、相位的精确控制和推进剂动态燃速的精确测量。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
7.本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，包括活动组件、气路接口、端盖、燃烧器主体、透明视窗、视窗压盘、限位套。
8.活动组件用于固定药条并在电磁激振器的带动下上下振动。活动组件包括：外连杆、活塞、活塞连杆、上螺杆座、螺杆、被测药条、药条座、药条夹块、锁紧螺母、下螺杆座和组合密封件；被测药条被药条夹块夹紧并固定在药条座上，药条夹块使用螺钉与药条座连接，通过调整螺钉旋进深度能够调节夹紧力度与被测药条的垂直度。药条座能够沿着螺杆上下移动，调整位置能够使不同长度的被测药条都能够对准透明视窗，方便开展不同实验，其位
置通过锁紧螺母固定。螺杆的上端使用螺母与上螺杆座固定，下端使用螺纹与下螺杆座连接。上螺杆座、下螺杆座分别通过螺纹连接活塞连杆，进而与活塞相连。活塞能够在端盖中心的气缸孔内上下运动，并通过外连杆与激振器和加速度传感器相连，活塞与气缸孔之间由组合密封件实现动密封。由于上下两个活塞的截面积相等，因此在燃烧室内的压力作用下能够实现二力平衡，有效避免一端活塞受到的高压气体推力超过电磁激振器的出力。
9.气路接口焊接在端盖上，内部联通燃烧室，外部能够通过螺纹连接压力传感器和供气管路。端盖中心开有气缸孔，活动组件中的活塞能够在其中运动并与气缸壁形成密封。端盖与燃烧器主体之间使用螺栓连接，并用o型圈实现密封。限位套使用螺纹连接在端盖上，起到限制活塞运动范围的作用，防止振动过大时活塞脱出导致密封失效。燃烧器主体内部为中空的圆柱形燃烧室用于容纳活动组件，外侧开有观察窗，透明视窗被视窗压盘使用螺栓固定在观察窗上，使用密封垫圈实现密封，透过观察窗能够对燃烧室内推进剂药条的燃烧情况进行观察。
10.作为优选，所述被测药条选用横截面为正方形的长方体。
11.作为优选，所述锁紧螺母使用r型高强度径向锁紧螺母，沿螺母圆周均匀分布有磷青铜锁紧销，这些销通过六角平头螺钉压在轴螺纹上，能够有效防止在剧烈震动时螺母松动。
12.作为优选，所述上螺杆座、下螺杆座采用镂空结构，镂空结构在减轻活动组件重量的同时，减小了因螺杆座上下运动引起的气流扰动对药条燃烧的影响，提高了测试精度。
13.作为优选，所述组合密封件使用低摩擦齿形滑环式组合密封圈，由低摩擦聚四氟乙烯(ptfe)复合材料滑环与o形圈组合而成。与传统o型圈相比，所述组合密封件具有高寿命,低摩擦,无泄漏,适应性强等特点，能够有效降低高压条件下密封件运动的摩擦力。
14.本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧测试系统，包括所述可视化固体推进剂高压振动燃烧器，还包括振动燃烧系统、激光点火系统、供气系统、加速度传感器、压力传感器、高速相机、功率放大器、信号发生器、测控系统。
15.振动燃烧系统包括高压振动燃烧器、电磁激振器、隔振器、基座、台面、支腿。被测固体推进剂药条固定在高压振动燃烧器中的活动组件上，活动组件与电磁激振器使用螺纹连接，并在其带动下做往复振动。电磁激振器与基座之间设置有隔振器，隔振器能够在防止电磁激振器工作时发生位移的同时起到防止振动燃烧系统产生共振，提高电磁激振器振动品质的作用。支腿的主体是一根螺柱，固定在基座上。支腿上有能够沿螺柱活动的螺母，台面放置在螺母上，通过调节螺母位置能够调整台面的高度。
16.激光点火系统发射一束高能激光，激光透过高压振动燃烧器上的透明视窗照射到被测固体推进剂药条上将其点燃。
17.供气系统提供的高压氮气经气路接口注入高压振动燃烧器中，为其提供药条测试所需的工作压力。
18.加速度传感器使用螺纹连接在活动组件的顶端，用于测量固体推进剂药条的振动加速度。压力传感器安装在气路接口上，用于测量固体推进剂药条振动燃烧时高压振动燃烧器内的压力波动。高速相机正对透明视窗，用于实时拍摄被测固体推进剂药条的燃烧状况。
19.信号发生器产生多种波形不同频率幅值和相位的电信号，电信号经过功率放大器
转换放大后输入电磁激振器从而控制其产生不同振动。
20.测控系统与激光点火系统、加速度传感器、压力传感器、高速相机相连，主要作用是控制激光点火系统与高速相机同时工作，确保药条燃烧过程被完整记录。同时记录加速度传感器、压力传感器、高速相机的采集数据，并通过处理这些数据得出振动的加速度、速度、位移及被测药条的动态燃速。
21.作为优选，所述压力传感器选用高频动态压力传感器，通过测试密闭环境下固体推进剂燃烧时的压强—时间曲线，根据燃气生成量反推已燃烧的固体推进剂的质量，进而能够计算燃速。
22.作为优选，所述电磁激振器选用具有宽频率响应范围、出力效率高的永磁式电动激振器，其内部由上下两组弹簧片支撑一个可动驱动线圈，当功率放大器供给动圈可变频率电流时，根据磁场中载流体受力的原理，驱动线圈将受到与电流成正比的电动力作用。
23.作为优选，所述隔振器选用动、静刚度较大、最大变形量较小、固有频率低的阻尼弹簧隔振器，不仅能够确保激振器所处的位置和状态不变，同时能够确保激振器工作时振动不向外界传递，从而获得较宽的动态频率范围和良好的振动品质。
24.本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统的工作方法为：按照所述可视化固体推进剂高压振动燃烧器连接关系将振动燃烧器组装完成后，按照所述高压振动燃烧测试系统连接关系搭建测试系统。开展测试前，首先打开供气系统的进气阀门，向燃烧室中充入较低压力的氮气，检查活塞和端盖等部件是否漏气，确认密封情况良好后向燃烧室继续充入高压氮气，监控压力传感器测得的压力值，当达到所需的测试压力后关闭进气阀门。控制信号发生器产生所需波形和频率的信号，电磁激振器开始带动燃烧室内的活动组件连同药条一起上下振动，调节功率放大器放大倍率并观察加速度传感器测得的加速度值，达到实验设定的加速度值后关闭信号发生器输出，振动暂时停止。打开激光点火系统的引导光束，将光点对准药条顶端。调节高速相机的参数以确保将药条拍摄完整。开展测试时，测控系统发出指令控制激光点火器工作，产生一束高能激光汇聚在药条顶端并将其点燃。药条开始燃烧后，打开信号发生器输出，药条开始上下振动。与此同时，测控系统控制高速相机、加速度传感器、压力传感器开始同步记录，分别测量药条的燃烧情况、振动情况、燃烧室内的动态压力。待推进剂燃烧结束并经过一段时间冷却后，打开供气系统的排气阀门，排出燃烧室内的废气。一次测试完成后，使用图像处理软件对高速相机获得的药条燃烧图像进行标定和处理，获得每个时刻燃面的位置，综合加速度和压力数据，得出振动对被测推进剂的燃烧影响。
25.有益效果
26.1.本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统，能够简化振动实验开展的条件，实现推进剂药条振动燃速的直接测量。与传统的使用振动发动机测试推进剂振动燃烧性能的方法相比，本发明公开的测试系统只需少量推进剂药条即可开展试验，也不需要固定发动机所需要的大型振动台，节约实验成本，缩短测试周期。使用高速摄影法开展固体推进剂振动燃烧研究，具有较高的时间和空间分辨率，既能够对所有固体推进剂进行动态燃速测试，也能够实时观测推进剂的微观燃烧过程，进而便于对推进剂振动燃烧规律的研究。
27.2.本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统，能够避免整
体振动，提高实验精度，实现振动过程的精确控制。与将高压燃烧器直接固定在振动台上进行整体振动的传统方案相比，本发明公开的振动燃烧器仅有贯穿内部的活动组件上下振动，振动部件重量减小90％以上。由于固定在燃烧器主体上的压力传感器等不需要承受振动，因此测量精度得到了大幅提高。传统振动发动机实验采用机械式振动台，依靠电机带动偏心块转动实现振动，工作频率范围有限，最大加速度较小，加速度波形失真很大。本方案选用电磁激振器，具有宽频率响应范围、出力效率高的优点，且通过信号发生器可以产生任意振动，实现振动过程的精确控制。
28.3.本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统，通过上下两个活塞的设计，平衡了压力，减小激振器的工作负荷。本发明公开的振动燃烧器活动组件的两端各有一活塞，分别在两个端盖中心的气缸孔中上下运动。由于两活塞截面积相等，无论燃烧器内部压力如何变化，两活塞受到的内部气体压力大小相等方向相反，相互平衡。激振器只需负载活动组件的重力与活塞的动摩擦力，活塞使用低摩擦齿形滑环式组合密封圈，进一步减小了激振器的工作负荷。
29.4.本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统，被测药条的上下位置和倾斜度可调，便于开展不同种类固体推进剂的实验。传统高压燃烧器开展药条实验时需将被测药条固定在燃烧器底部，对药条的长度存在限制。本发明公开的振动燃烧器中，被测药条被四个药条夹块固定在药条座上，药条座能够沿螺杆上下运动，并使用锁紧螺母固定位置。在对不同长度的药条进行测试时，能够调整药条座高度，使药条保持与视窗平齐。药条夹块由上下两个螺钉固定位置，通过调整两个螺钉的不同旋进深度，能够在一定范围内调整药条的倾斜度，便于开展不同类型的测试。
附图说明
30.图1为固体推进剂高压振动燃烧测试系统具体实施例的系统组成示意图；
31.图2为图1中振动燃烧系统的结构示意图；
32.图3为具体实施例提供的可视化固体推进剂高压振动燃烧器的侧视图及剖视图；
33.图4为图3中活动组件的结构示意图。
34.其中，101-振动燃烧系统、102-激光点火系统、103-供气系统、104-加速度传感器、105-压力传感器、106-高速相机、107-功率放大器、108-信号发生器、109-测控系统、201-可视化固体推进剂高压振动燃烧器、202-台面、203-支腿、204-电磁激振器、205-隔振器、206-基座、301-活动组件、302-气路接口、303-端盖、304-燃烧器主体、305-透明视窗、306-视窗压盘、307-限位套、401-外连杆、402-活塞、403-活塞连杆、404-上螺杆座、405-螺杆、406-被测药条、407-药条座、408-药条夹块、409-锁紧螺母、410-下螺杆座、411-组合密封件。
具体实施方式
35.为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
36.可视化高压燃烧器是研究固体推进剂燃烧特性的主要实验装置。传统的高压燃烧器可以使用靶线法或声/光发射法开展固体推进剂静态燃速测量，但在开展振动过载燃烧性能测试时较为困难，主要原因是传统方法需要将燃烧器置于振动台或过载台上，用于测
试的各类传感器随燃烧器一起承受振动加速度，引起严重的测量误差。本发明通过改进燃烧器结构，达到避免整体振动，提高实验精度的目的，可实现振动过程的精确控制与推进剂药条振动燃烧的直接观测。
37.如图1和图2所示，本实施例提供一种可视化固体推进剂高压振动燃烧测试系统，包括振动燃烧系统101、激光点火系统102、供气系统103、加速度传感器104、压力传感器105、高速相机106、功率放大器107、信号发生器108和测控系统109。
38.其中振动燃烧系统101包括可视化固体推进剂高压振动燃烧器201、电磁激振器204、隔振器205、基座206、台面202、支腿203。可视化固体推进剂高压振动燃烧器201中设置有活动组件301，活动组件301与电磁激振器204的输出轴使用螺纹连接，并在其带动下做往复振动。电磁激振器204的出力为200n，其与基座206之间设置有4个隔振器205，隔振器205上下面各有螺栓，下面的螺栓与基座206螺纹连接，上面的螺栓穿过电磁激振器204底座上的安装孔，使用螺母固定。隔振器205为阻尼弹簧隔振器，可以在防止电磁激振器204工作时发生位移的同时起到防止振动燃烧系统101产生共振，提高电磁激振器204振动品质的作用。支腿203的主体是一根螺柱，下部为地脚杯，4根支腿203使用螺栓固定在基座206上。支腿203上有可以沿螺柱活动的螺母，台面202放置在螺母上，通过调节螺母位置可以调整台面202的高度，以适应不同规格的电磁激振器204。
39.激光点火系统102由固体激光发生器、激光控制器、输出光缆组成，可以产生一束百瓦级激光并通过光缆输出。激光点火系统102还可以发出引导光束，用于将激光束对准被测药条406顶端。在测控系统109的控制下，激光点火系统102发出的高能激光穿过石英玻璃材质的透明视窗305将药条点燃。供气系统103由15mpa高压氮气源、供应管路、减压阀、进气阀、排气阀、泄压阀、过滤器组成。进气阀、排气阀通过三通连接气路接口302，进而与燃烧室内部相连通。打开进气阀，调整减压阀可以将高压氮气充入燃烧室，以获得测试所需的压力。测试结束后打开排气阀，燃烧废气经过过滤器净化后向外界排出，减少环境污染。泄压阀可以在燃烧室内压力超过设计压力的情况下自动开启，保证实验安全。加速度传感器104为iepe型单轴加速度传感器，通过螺纹连接在外连杆401上，随活动组件301一起振动，其振动情况与被测药条406相同。压力传感器105为高频动态压力传感器，通过螺纹连接在气路接口302上。通过测试密闭环境下固体推进剂燃烧时的压强—时间曲线，根据燃气生成量反推已燃烧的固体推进剂的质量，进而可以计算燃速。高速相机106的帧率在每秒10000帧以上，最小曝光时间1μs，通过更换不同镜头可以实现对宏观燃速特性和微观燃面特性的观测，具有较高的时间分辨率，在研究振动过载条件下固体推进剂燃烧特性时发挥重要作用，通过后期图像处理可以对所有固体推进剂进行动态燃速测试。信号发生器108可以产生任意波形不同频率幅值和相位的电信号，电信号经过功率放大器107转换放大后输入电磁激振器204从而控制其产生不同振动。测控系统109与激光点火系统102、加速度传感器104、压力传感器105、高速相机106相连，主要作用是控制激光点火系统102与高速相机106同时工作，确保药条燃烧过程被完整记录。同时记录加速度传感器104、压力传感器105、高速相机106的采集数据，并通过处理这些数据得出振动的加速度、速度、位移及被测药条的动态燃速。
40.如图3和图4所示，本实施例提供一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，包括活动组件301、气路接口302、端盖303、燃烧器主体304、透明视窗305、视窗压盘306和限位套
307。
41.其中活动组件301包括外连杆401、活塞402、活塞连杆403、上螺杆座404、螺杆405、被测药条406、药条座407、药条夹块408、锁紧螺母409、下螺杆座410和组合密封件411。被测药条406的4个侧面分别被4个药条夹块408夹紧并固定在药条座407上，药条夹块408截面为等边梯形，侧面有两小孔，使用两枚螺钉与药条座407连接，通过调整螺钉旋进深度可以调节夹紧力度与被测药条406的垂直度。药条座407为x型，中间开有一方孔用于容纳被测药条406和药条夹块408，每个分支上开有一通孔，螺杆405穿入其中。药条座407可以沿螺杆405上下移动，通过调整位置可以使不同长度的被测药条406都可以对准透明视窗305，方便开展不同实验，其位置通过每根螺杆405上的2个锁紧螺母409固定。4根螺杆405的上端分别使用螺母与上螺杆座404固定，下端使用螺纹与下螺杆座410连接。上螺杆座404、下螺杆座410为镂空结构，分别通过螺纹连接活塞连杆403，进而与活塞402相连。活塞402可以在端盖303中心的气缸孔内上下运动，并通过外连杆401与激振器和加速度传感器相连。所有连杆、螺杆均使用高强度的30crmnsi材料，保证整体结构可靠。活塞402上开有密封槽和活塞导向环槽，用于容纳组合密封件411，组合密封件411起到与气缸孔之间实现动密封的作用。由于上下两个活塞402的截面积相等，因此在燃烧室内的压力作用下可以实现二力平衡，有效避免活动组件301受到的高压气体推力超过电磁激振器204的出力。
42.2个气路接口302焊接在端盖303上，内部联通燃烧室，外部可以通过螺纹连接压力传感器105和供气系统103。2个端盖303中心开有气缸孔，活动组件301中的活塞402可以在其中运动。为减小动摩擦并提高耐磨性，端盖303表面镀铬，其与燃烧器主体304之间使用螺栓连接，并用o型圈实现密封。限位套307使用螺纹连接在端盖303上，起到限制活塞402运动范围的作用，防止振动过大时活塞402脱出导致密封失效。燃烧器主体304内部为直径80mm，高200mm的圆柱形燃烧室用于容纳活动组件301，外侧的4个平面上各开有1个直径50mm的圆形观察窗，石英玻璃材质的透明视窗305被视窗压盘306使用螺栓固定在观察窗上，两者之间使用聚四氟乙烯材质的密封垫圈实现密封，透过观察窗可以对燃烧室内推进剂药条的燃烧情况进行观察。
43.本实施例公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统的工作方法为：首先使用裁刀将被测推进剂裁成尺寸为5*5*40mm规格的长条，并在侧面均匀涂上一层绝热层。按照所述可视化固体推进剂高压振动燃烧器201连接关系将振动燃烧器组装完成后，按照所述高压振动燃烧测试系统连接关系搭建测试系统。开展测试前，首先打开供气系统103的进气阀门，向燃烧室中充入压力约0.5mpa的氮气，检查活塞402和端盖303等部件是否漏气，确认密封情况良好后向燃烧室继续充入高压氮气，监控压力传感器105测得的压力值，当达到所需的5mpa测试压力后关闭进气阀门。控制信号发生器108产生所需的30hz正弦信号，电磁激振器204开始带动燃烧室内的活动组件301连同被测药条406一起上下振动，调节功率放大器107放大倍率并观察加速度传感器104测得的加速度值，达到实验设定的加速度值100m/s2后关闭信号发生器108输出，振动暂时停止。打开激光点火系统102的引导光束，将光点对准被测药条406顶端。调节高速相机106的镜头焦距、曝光时间和帧率以确保将被测药条406拍摄完整。开展测试时，测控系统109发出指令控制激光点火系统102工作，产生一束高能激光汇聚在被测药条406顶端并将其点燃。被测药条406开始燃烧后，打开信号发生器108输出，被测药条406开始上下振动。与此同时，测控系统109控制高速相机106、加
速度传感器104、压力传感器105开始同步记录，分别测量被测药条406的燃烧情况、振动情况、燃烧室内的动态压力。待被测药条406燃烧结束并经过一段时间冷却后，打开供气系统103的排气阀门，排出燃烧室内的废气。每次测试完成后，使用图像处理程序对高速相机106获得的被测药条406燃烧图像进行标定和校准。由于被测药条406燃面退移的同时自身位置也在上下运动，为了获得燃面的准确位置，需要进行图像防抖校准以消除被测药条406自身运动的影响。图像处理分为两步，运动分析与运动补偿，首先对加速度传感器104获得的加速度数据进行两次积分得到被测药条406每一时刻的运动位置，随后根据位置对图像底端进行不同程度的裁切，得到消除运动影响的图像。标出每张图像中的燃面，获得燃面位置曲线，最后对位置曲线求导获得每个时刻的推进剂燃速曲线。综合加速度数据，得出振动对被测推进剂瞬时燃速的影响。此外，通过使用长焦显微镜头，可以对振动情况下推进剂细观燃烧过程进行观察，加深对推进剂动态燃烧机理的理解。
44.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，其特征在于：包括活动组件(301)、气路接口(302)、端盖(303)、燃烧器主体(304)、透明视窗(305)、视窗压盘(306)和限位套(307)；活动组件(301)用于固定被测药条(406)并在电磁激振器(204)的带动下上下振动，活动组件(301)包括：外连杆(401)、活塞(402)、活塞连杆(403)、上螺杆座(404)、螺杆(405)、被测药条(406)、药条座(407)、药条夹块(408)、锁紧螺母(409)、下螺杆座(410)和组合密封件(411)；被测药条(406)被药条夹块(408)夹紧并固定在药条座(407)上；药条座(407)沿着螺杆(405)上下移动，调整位置并使用锁紧螺母(409)固定，使得不同长度的被测药条(406)能够对准透明视窗(305)；螺杆(405)的上端与上螺杆座(404)固定，下端与下螺杆座(410)连接；活塞(402)与外连杆(401)连接，并通过活塞连杆(403)与上螺杆座(404)、下螺杆座(410)固定，组合密封件(411)用于实现活塞(402)的动密封；由于上下两个活塞(402)的截面积相等，因此在燃烧室内的压力作用下可以实现二力平衡，有效避免一端活塞(402)受到的高压气体推力超过电磁激振器(204)的出力；气路接口(302)焊接在端盖(303)上，内部联通燃烧室，外部连接供气管路；端盖(303)中心开有气缸孔，活动组件(301)中的活塞(402)在其中运动并与气缸壁形成密封；端盖(303)与燃烧器主体(304)连接；限位套(307)固定在端盖(303)上，用于限制活塞(402)运动范围；燃烧器主体(304)内部为中空燃烧室用于容纳活动组件(301)，外侧开有观察窗，透明视窗(305)被视窗压盘(306)固定在观察窗上。2.如权利要求1所述的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，其特征在于：所述药条夹块(408)使用螺钉与药条座(407)连接，通过调整螺钉旋进深度可以调节夹紧力度与被测药条(406)的垂直度。3.如权利要求1所述的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，其特征在于：所述被测药条(406)选用横截面为正方形的长方体。4.如权利要求1所述的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，其特征在于：所述锁紧螺母(409)使用r型高强度径向锁紧螺母，沿螺母圆周均匀分布有磷青铜锁紧销，这些销通过六角平头螺钉压在轴螺纹上，可以有效防止在剧烈震动时螺母松动。5.如权利要求1所述的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，其特征在于：所述上螺杆座(404)、下螺杆座(410)采用镂空结构，镂空结构在减轻活动组件重量的同时，减小了因螺杆座上下运动引起的气流扰动对药条燃烧的影响，提高了测试精度。6.如权利要求1所述的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器，其特征在于：所述组合密封件(411)使用低摩擦齿形滑环式组合密封圈，由低摩擦聚四氟乙烯复合材料滑环与o形圈组合而成；与传统o型圈相比，该密封具有高寿命,低摩擦,无泄漏,适应性强的特点，能够有效降低高压条件下密封件运动的摩擦力。7.可视化固体推进剂高压振动燃烧器构建的测试系统，基于如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器实现，其特征在于：包括振动燃烧系统(101)、激光点火系统(102)、供气系统(103)、加速度传感器(104)、压力传感器(105)、高速相机(106)、功率放大器(107)、信号发生器(108)和测控系统(109)；振动燃烧系统(101)的核心为高压振动燃烧器(201)和电磁激振器(204)，高压振动燃烧器(201)固定在电磁激振器(204)上，高压振动燃烧器(201)下端的外连杆(401)与电磁激振器(204)的推杆连接；高压振动燃烧器(201)上端的外连杆(401)与加速度计(104)连接，
压力传感器(105)安装在气路接口(302)上；激光点火系统(102)发射高能激光，激光透过高压振动燃烧器(201)上的透明视窗(305)照射到被测药条(406)上将其点燃；供气系统(103)提供的高压氮气经气路接口(302)注入高压振动燃烧器(201)中，为其提供药条测试所需的工作压力；高速相机(106)正对透明视窗(305)，用于实时拍摄被测药条(406)的燃烧状况；信号发生器(108)产生多种波形不同频率幅值和相位的电信号，电信号经过功率放大器(107)转换放大后输入电磁激振器(204)从而控制其产生不同振动；测控系统(109)与激光点火系统(102)、加速度传感器(104)、压力传感器(105)、高速相机(106)相连，主要作用是控制激光点火系统(102)与高速相机(106)同时工作，确保药条燃烧过程被完整记录；同时记录加速度传感器(104)、压力传感器(105)、高速相机(106)采集的数据，并通过处理这些数据得出振动的加速度、速度、位移及被测药条的动态燃速。8.如权利要求7所述的可视化固体推进剂高压振动燃烧器构建的测试系统，其特征在于：所述电磁激振器(204)选用具有宽频率响应范围、出力效率高的永磁式电动激振器，其内部由上下两组弹簧片支撑一个可动驱动线圈，当功率放大器(107)供给动圈可变频率电流时，根据磁场中载流体受力的原理，驱动线圈将受到与电流成正比的电动力作用。9.如权利要求7所述的可视化固体推进剂高压振动燃烧器构建的测试系统，其特征在于：工作方法为，按照所述可视化固体推进剂高压振动燃烧器连接关系将高压振动燃烧器(201)组装完成后，按照所述高压振动燃烧测试系统连接关系搭建测试系统；开展测试前，首先打开供气系统(103)的进气阀门，向燃烧室中充入较低压力的氮气，检查活塞(402)和端盖(303)等部件是否漏气，确认密封情况良好后向燃烧室继续充入高压氮气，监控压力传感器(105)测得的压力值，当达到所需的测试压力后关闭进气阀门；控制信号发生器(108)产生所需波形和频率的信号，电磁激振器(204)开始带动燃烧室内的活动组件(301)连同被测药条(406)一起上下振动，调节功率放大器(107)放大倍率并观察加速度传感器(104)测得的加速度值，达到实验设定的加速度值后关闭信号发生器(108)输出，振动暂时停止；打开激光点火系统(102)的引导光束，将光点对准被测药条(406)顶端；调节高速相机(106)的参数以确保将被测药条(406)拍摄完整；开展测试时，测控系统(109)发出指令控制激光点火器工作，产生一束高能激光汇聚在被测药条(406)顶端并将其点燃；被测药条(406)开始燃烧后，打开信号发生器(108)输出，被测药条(406)开始上下振动；与此同时，测控系统(109)控制高速相机(106)、加速度传感器(104)、压力传感器(105)开始同步记录，分别测量被测药条(406)的燃烧情况、振动情况、燃烧室内的动态压力；待推进剂燃烧结束并经过一段时间冷却后，打开供气系统(103)的排气阀门，排出燃烧室内的废气；一次测试完成后，使用图像处理软件对高速相机(106)获得的被测药条(406)燃烧图像进行标定和处理，获得每个时刻燃面的位置，综合加速度和压力数据，得出振动对被测推进剂燃烧的影响。

技术总结
本发明公开的一种可视化固体推进剂高压振动燃烧器及测试系统，属于固体推进剂测试领域。本发明包括振动燃烧系统、激光点火系统、供气系统、加速度传感器、压力传感器、高速相机、功率放大器、信号发生器和测控系统。振动燃烧系统的核心为可视化固体推进剂高压振动燃烧器和电磁激振器，高压振动燃烧器中有上下贯通的活动组件与电磁激振器相连。高压振动燃烧器采用活动组件独立运动的方式，实现振动过程的精确控制。活动组件采用上下两个活塞的设计，可以平衡内压力，减小激振器的工作负荷。被测药条的上下位置和倾斜度可调，便于开展不同种类固体推进剂的实验。本发明能够在燃烧过程可视化的同时，实现振动的精确控制和推进剂动态燃速的精确测量。燃速的精确测量。燃速的精确测量。


技术研发人员：徐博 李新艳 逄凯 张浩 周心远 李军伟 王宁飞
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/11/1