一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，屬于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)微氣流使粒子懸浮在燃燒器內(nèi)空間，粒子不與金屬壁板接觸，利用高能激光點(diǎn)火器將粒子連續(xù)加熱進(jìn)行點(diǎn)火。氣體環(huán)境可調(diào)，可充入單種氣體或同時(shí)充入不同的多種氣體，達(dá)到測(cè)試不同氣體環(huán)境下粒子點(diǎn)火過(guò)程的目的。燃燒器上安裝有四個(gè)透明窗，其中二個(gè)為觀察窗,二個(gè)為鍺玻璃窗；對(duì)工作過(guò)程通過(guò)二個(gè)觀察窗進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)試，激光點(diǎn)火器產(chǎn)生的激光通過(guò)二個(gè)鍺玻璃窗射入燃燒器，調(diào)節(jié)激光點(diǎn)火器功率，將燃燒器內(nèi)懸浮的粒子加熱并點(diǎn)燃；利用高速攝影系統(tǒng)通過(guò)觀察窗拍攝粒子點(diǎn)火燃燒的詳細(xì)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)裝置可研究金屬和非金屬兩種粒子的點(diǎn)火燃燒特性。
【專利說(shuō)明】一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)，涉及一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]為了提高固體推進(jìn)劑的能量，通常在固體推進(jìn)劑中加入高燃燒熱的硼、鋁粒子，這些粒子不僅提高了推進(jìn)劑密度和比沖，同時(shí)也顯著影響著固體推進(jìn)劑的點(diǎn)火、燃燒性能。目前研究粒子點(diǎn)火特性主要是采用電弧點(diǎn)火法、激波管法，熱分析儀法和激光點(diǎn)火法。
[0003]電弧點(diǎn)火法是利用電磁場(chǎng)將金屬粒子懸浮，然后施加高壓電弧來(lái)點(diǎn)燃金屬粒子。在專利CN86105020中公開了一種用于真空電弧等離子體發(fā)生系統(tǒng)的點(diǎn)火裝置，包括一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的、其邊緣與對(duì)陰極表面邊緣并置間距為D的細(xì)長(zhǎng)金屬點(diǎn)火器元件，有橋接表面的絕緣元件被放置使橋接表面在點(diǎn)火器元件與陰極表面邊緣間連接，在橋接表面上沉積一層導(dǎo)電薄膜，在點(diǎn)火器元件和陽(yáng)極間設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)單的電連接，點(diǎn)火器元件為一輔助陰極。但該方法不適用于非金屬粒子，并且是瞬間點(diǎn)火，無(wú)法清楚觀察金屬粒子點(diǎn)火的整個(gè)過(guò)程。
[0004]激波管法是將粒子置于激波管中，利用激波管產(chǎn)生的激波使粒子迅速升至高溫點(diǎn)燃粒子。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了一套激波管實(shí)驗(yàn)裝置，在該平臺(tái)上對(duì)甲烷，特別是低熱值的超低濃度甲烷燃燒的基礎(chǔ)性問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)激波管內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，該激波管采用橫截面積為130x80mm的冷拔矩形光管，內(nèi)外管壁電鍍處理，激波管上開有多個(gè)測(cè)試孔用于安裝傳感器。該方法最大優(yōu)點(diǎn)在于點(diǎn)火氣體環(huán)境可調(diào)，但同樣屬于瞬間點(diǎn)火，無(wú)法清楚觀察金屬粒子點(diǎn)火的整個(gè)過(guò)程的詳細(xì)情況。
[0005]采用熱分析儀研究粒子點(diǎn)火特性，粒子是在密閉燃燒器內(nèi)加熱，無(wú)法觀測(cè)粒子點(diǎn)火瞬間粒子形態(tài)及點(diǎn)火火焰，也無(wú)法精確計(jì)算粒子點(diǎn)火燃燒時(shí)間。
[0006]激光點(diǎn)火是利用激光能量引燃或引爆含能材料，用于給在燃燒室內(nèi)的燃料/空氣混合物點(diǎn)火的方法。在專利CN101463790中描述了一種激光點(diǎn)火裝置，包括至少兩個(gè)激光產(chǎn)生裝置和一個(gè)共同的輸入光學(xué)件，該輸入光學(xué)件用于將至少兩個(gè)激光產(chǎn)生裝置的激光輸入到燃燒室內(nèi)。其特點(diǎn)是設(shè)置的兩個(gè)激光產(chǎn)生裝置，使得由各激光產(chǎn)生裝置在運(yùn)行狀態(tài)中發(fā)出的激光彼此平行地錯(cuò)開或者彼此成角度地入射到輸入光學(xué)件上或由輸入光學(xué)件射出。激光以其輸出能量高且可調(diào)，點(diǎn)火時(shí)間和能量可控制，無(wú)干擾的特點(diǎn)，減少了點(diǎn)火過(guò)程的非均勻效應(yīng)和熱損失，且不受環(huán)境因素影響，如推進(jìn)劑表面的氣相組分、初始溫度和壓力諸多因素的限制。但該激光點(diǎn)火裝置無(wú)法得到粒子在不同氣體環(huán)境下的點(diǎn)火情況，并且同目前普遍的激光點(diǎn)火裝置相同，粒子都是被置于燃燒室內(nèi)，與燃燒室接觸的情況下被點(diǎn)燃，而發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中大多數(shù)粒子處于懸浮狀態(tài)，該裝置無(wú)法進(jìn)行懸浮粒子點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置；通過(guò)微氣流使粒子懸浮在燃燒器內(nèi)空間，粒子不與金屬壁板接觸，利用高能激光點(diǎn)火器將粒子加熱點(diǎn)火；實(shí)驗(yàn)裝置可充入單種氣體或同時(shí)充入不同的多種氣體，實(shí)現(xiàn)測(cè)試不同氣體環(huán)境下粒子點(diǎn)火過(guò)程；同時(shí)，利用高速攝影系統(tǒng)通過(guò)觀察窗拍攝粒子點(diǎn)火燃燒過(guò)程。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:包括卸氣閥、燃燒器、觀察窗、鍺玻璃窗、微孔板、緩沖段、混合段、二次混合段、中間進(jìn)氣管、球形粒子、進(jìn)氣段、進(jìn)氣管，所述燃燒器位于緩沖段上方，燃燒器上端蓋有卸氣閥，側(cè)壁周向有觀察窗和鍺玻璃窗，觀察窗和鍺玻璃窗兩兩相對(duì)安裝，所述緩沖段位于燃燒器與二次混合段之間，燃燒器與緩沖段一端固連，燃燒器與緩沖段連接部位固定有微孔板，二次混合段與緩沖段的另一端固連，二次混合段與緩沖段連接部位固定有微孔板，燃燒器、緩沖段、二次混合段內(nèi)徑相同，所述二次混合段側(cè)壁靠近底部有對(duì)稱的進(jìn)氣孔，底部中間有臺(tái)階孔，二次混合段底部外側(cè)壁有安裝板與臺(tái)架固連；所述進(jìn)氣段為一端封閉的圓筒形結(jié)構(gòu)，側(cè)壁周向有進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔兩兩相對(duì)，進(jìn)氣管與進(jìn)氣孔配合連接，進(jìn)氣段與混合段內(nèi)徑相同，混合段外徑小于進(jìn)氣段外徑，且與進(jìn)氣段開口端固連，進(jìn)氣段與混合段連接部位固定有微孔板，混合段內(nèi)置若干球形粒子；所述混合段位于二次混合段的下方，混合段端部中間有臺(tái)階孔，混合段與二次混合段通過(guò)中間進(jìn)氣管相連通，所述中間進(jìn)氣管兩端有外螺紋，中心軸向有通孔，通孔直徑大于球形粒子直徑，所述微孔板為圓盤形結(jié)構(gòu)，依中心孔外延等間距設(shè)置若干等直徑微小腔孔，中心孔徑大于球形粒子直徑；激光點(diǎn)火器位于燃燒器外側(cè)與鍺玻璃窗相對(duì)，激光點(diǎn)火器產(chǎn)生的激光通過(guò)鍺玻璃窗射入燃燒器內(nèi)，將懸浮的球形粒子加熱并點(diǎn)燃；高速攝影系統(tǒng)位于燃燒器外側(cè)與觀察窗相對(duì)，高速攝影系統(tǒng)通過(guò)觀察窗拍攝球形粒子點(diǎn)火燃燒過(guò)程。
[0009]所述進(jìn)氣段可充入單種氣體或同時(shí)充入不同的多種氣體。
[0010]所述觀察窗材料為石英玻璃。
[0011 ] 所述球形粒子材料為塑料。
[0012]有益效果
[0013]本發(fā)明提出的一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)微氣流使球形粒子懸浮在燃燒器內(nèi)空間，球形粒子不與金屬壁板接觸，利用高能激光點(diǎn)火器將球形粒子連續(xù)加熱進(jìn)行點(diǎn)火，并能清楚地得到球形粒子點(diǎn)火的詳細(xì)過(guò)程。氣體環(huán)境可調(diào)，燃燒器內(nèi)可充入單種氣體或同時(shí)充入不同的多種氣體，達(dá)到測(cè)試不同氣體環(huán)境下球形粒子點(diǎn)火過(guò)程的目的。實(shí)驗(yàn)裝置工作過(guò)程可視化，燃燒器側(cè)壁上設(shè)置有四個(gè)透明窗，二個(gè)為觀察窗，二個(gè)為鍺玻璃窗；激光點(diǎn)火器產(chǎn)生的激光通過(guò)鍺玻璃窗射入燃燒器，將燃燒器內(nèi)懸浮的球形粒子加熱并點(diǎn)燃。高速攝影系統(tǒng)通過(guò)觀察窗拍攝粒子點(diǎn)火燃燒過(guò)程。采用本發(fā)明粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置可研究金屬和非金屬兩種粒子的點(diǎn)火燃燒特性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]圖1為本發(fā)明粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
[0016]圖中:
[0017]1.卸氣閥2.燃燒器3.觀察窗4.鍺玻璃窗5.微孔板6.緩沖段7.二次混合段8.中間進(jìn)氣管9.混合段10.球形粒子11.進(jìn)氣段12.進(jìn)氣管

【具體實(shí)施方式】
[0018]本實(shí)施例是一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置。
[0019]如圖1所示，本實(shí)施例粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，由卸氣閥1、燃燒器2、觀察窗3、鍺玻璃窗4、微孔板5、緩沖段6、混合段9、二次混合段7、中間進(jìn)氣管8、球形粒子10、進(jìn)氣段11、進(jìn)氣管12組成；實(shí)驗(yàn)裝置固定在工作臺(tái)架上，激光點(diǎn)火器和高速攝影系統(tǒng)分別安裝在實(shí)驗(yàn)裝置的外側(cè)，實(shí)驗(yàn)裝置的下端為進(jìn)氣段11。進(jìn)氣段11為一端封閉的圓筒形結(jié)構(gòu)，側(cè)壁周向有進(jìn)氣孔，四個(gè)進(jìn)氣孔兩兩相對(duì)，分別位于同一軸線上；進(jìn)氣管12與進(jìn)氣孔配合連接，氣體通過(guò)進(jìn)氣管12進(jìn)入進(jìn)氣段11，進(jìn)氣段11內(nèi)氣體環(huán)境可調(diào)，可充入單種氣體或同時(shí)充入不同的多種氣體，達(dá)到測(cè)試不同氣體環(huán)境下球形粒子點(diǎn)火過(guò)程。進(jìn)氣段11與混合段9內(nèi)徑相同，混合段9外徑小于進(jìn)氣段11外徑，且與進(jìn)氣段11開口端通過(guò)螺紋固定連接，進(jìn)氣段11與混合段9連接部位固定有微孔板5，混合段9內(nèi)放置若干球形粒子10，氣體進(jìn)入混合段9時(shí)經(jīng)過(guò)球形粒子充分混合?；旌隙?安裝在二次混合段7的下方，混合段9端部中間有臺(tái)階孔，混合段9和二次混合段7與中間進(jìn)氣管8通過(guò)螺紋配合連接。中間進(jìn)氣管8兩端有外螺紋，中心軸向有通孔，通孔直徑略大于球形粒子10直徑。
[0020]燃燒器2安裝在緩沖段6的上方，燃燒器2與上端蓋通過(guò)螺紋連接，燃燒器2的上端蓋裝有卸氣閥I，側(cè)壁周向有觀察窗3和鍺玻璃窗4，觀察窗3和鍺玻璃窗4兩兩相對(duì)通過(guò)螺栓安裝；觀察窗3材料采用石英玻璃。緩沖段6固定在燃燒器2與二次混合段7之間，燃燒器2與緩沖段6 —端固連，燃燒器2與緩沖段6連接部位固定有微孔板5 ;二次混合段7與緩沖段6的另一端固連，二次混合段與緩沖段連接部位固定有微孔板；燃燒器2、緩沖段6、二次混合段7內(nèi)徑相同。氣體在二次混合段內(nèi)繼續(xù)充分混合。微孔板5為圓盤形結(jié)構(gòu)，依中心孔外延等間距設(shè)置有若干等直徑微小腔孔，中心孔徑大于球形粒子10直徑。二次混合段7側(cè)壁底部有兩個(gè)安裝板與工作臺(tái)架固定連接。激光點(diǎn)火器產(chǎn)生的激光通過(guò)鍺玻璃窗4射入燃燒器，將燃燒器內(nèi)懸浮的球形粒子10加熱并點(diǎn)燃。高速攝影系統(tǒng)通過(guò)觀察窗3拍攝粒子點(diǎn)火燃燒過(guò)程。在工作結(jié)束后，通過(guò)卸氣閥迅速卸掉燃燒器內(nèi)的氣體。
[0021]粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置工作過(guò)程:
[0022]首先將微量球形粒子10放置在微孔板5上。球形粒子10需平鋪薄薄一層。進(jìn)氣段11內(nèi)可同時(shí)充入四種氣體，經(jīng)有若干球形粒子10的混合段9進(jìn)行充分混合，再通過(guò)微孔板5形成微氣流。充入的氣體從進(jìn)氣管12通入進(jìn)氣段11，氣體在混合段9內(nèi)混合，氣體經(jīng)過(guò)二次混合段7再次混合。通過(guò)調(diào)節(jié)微流量調(diào)節(jié)閥控制流入的氣體質(zhì)量流率，將平鋪在微孔板5上的球形粒子10懸浮。通過(guò)微流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)微氣流的質(zhì)量流率，利用微氣流的浮力實(shí)現(xiàn)球形粒子10的懸浮。激光點(diǎn)火器產(chǎn)生的激光通過(guò)鍺玻璃窗4射入燃燒器2，將燃燒器2內(nèi)懸浮的球形粒子10加熱，調(diào)節(jié)激光點(diǎn)火器功率，將球形粒子10點(diǎn)燃。打開高速攝影系統(tǒng)，通過(guò)觀察窗3拍攝球形粒子點(diǎn)火燃燒過(guò)程。實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)充入單種氣體或同時(shí)充入不同的多種氣體，可觀察和測(cè)試球形粒子10在不同氣體環(huán)境下的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)過(guò)程。
[0023]實(shí)施例
[0024]本實(shí)施例采用粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)硼粒子進(jìn)行點(diǎn)火燃燒過(guò)程實(shí)驗(yàn)，為含硼固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室硼粒子燃燒組織提供應(yīng)用基礎(chǔ)。采用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行硼粒子點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的步驟如下:
[0025]采用硼粒子直徑為3 μ m ;激光點(diǎn)火器為R0FIN850，最大功率5KW ;氣體環(huán)境為氧氣；微流量調(diào)節(jié)閥為D07 - 7M/ZM型流量計(jì)。
[0026](I)實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)各零部件氣密性進(jìn)行檢查，確保實(shí)驗(yàn)裝置氣密性良好，將氧氣瓶、微流量調(diào)節(jié)閥和粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行連接。
[0027](2)打開燃燒器，為了保證高速攝影儀能拍攝到硼粒子點(diǎn)火以及燃燒過(guò)程情況，實(shí)驗(yàn)中硼粒子量不易多，將微量硼粒子放置在微孔板上面，硼粒子需平鋪一層。
[0028](3)試驗(yàn)開始時(shí)，打開D07 - 7M/ZM型流量計(jì)，開啟氧氣閥，將氧氣充入進(jìn)氣段。
[0029](4)通過(guò)D07 - 7M/ZM型流量計(jì)調(diào)節(jié)氧氣流量，直到恰好將硼粒子懸浮。
[0030](5)打開激光點(diǎn)火器，激光束通過(guò)鍺玻璃窗進(jìn)入燃燒器內(nèi)對(duì)懸浮的硼粒子進(jìn)行加熱，調(diào)節(jié)激光點(diǎn)火器功率，將懸浮的硼粒子點(diǎn)燃。
[0031](6)打開高速攝影系統(tǒng)，通過(guò)觀察窗拍攝硼粒子點(diǎn)火燃燒過(guò)程。
【權(quán)利要求】
1.一種粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:包括卸氣閥、燃燒器、觀察窗、鍺玻璃窗、微孔板、緩沖段、混合段、二次混合段、中間進(jìn)氣管、球形粒子、進(jìn)氣段、進(jìn)氣管，所述燃燒器位于緩沖段上方，燃燒器上端蓋有卸氣閥，側(cè)壁周向有觀察窗和鍺玻璃窗，觀察窗和鍺玻璃窗兩兩相對(duì)安裝，所述緩沖段位于燃燒器與二次混合段之間，燃燒器與緩沖段一端固連，燃燒器與緩沖段連接部位固定有微孔板，二次混合段與緩沖段的另一端固連，二次混合段與緩沖段連接部位固定有微孔板，燃燒器、緩沖段、二次混合段內(nèi)徑相同，所述二次混合段側(cè)壁靠近底部有對(duì)稱的進(jìn)氣孔，底部中間有臺(tái)階孔，二次混合段底部外側(cè)壁有安裝板與臺(tái)架固連；所述進(jìn)氣段為一端封閉的圓筒形結(jié)構(gòu)，側(cè)壁周向有進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔兩兩相對(duì)，進(jìn)氣管與進(jìn)氣孔配合連接，進(jìn)氣段與混合段內(nèi)徑相同，混合段外徑小于進(jìn)氣段外徑，且與進(jìn)氣段開口端固連，進(jìn)氣段與混合段連接部位固定有微孔板，混合段內(nèi)置若干球形粒子；所述混合段位于二次混合段的下方，混合段端部中間有臺(tái)階孔，混合段與二次混合段通過(guò)中間進(jìn)氣管相連通，所述中間進(jìn)氣管兩端有外螺紋，中心軸向有通孔，通孔直徑大于球形粒子直徑，所述微孔板為圓盤形結(jié)構(gòu)，依中心孔外延等間距設(shè)置若干等直徑微小腔孔，中心孔徑大于球形粒子直徑；激光點(diǎn)火器位于燃燒器外側(cè)與鍺玻璃窗相對(duì)，激光點(diǎn)火器產(chǎn)生的激光通過(guò)鍺玻璃窗射入燃燒器內(nèi)，將懸浮的球形粒子加熱并點(diǎn)燃；高速攝影系統(tǒng)位于燃燒器外側(cè)與觀察窗相對(duì)，高速攝影系統(tǒng)通過(guò)觀察窗拍攝球形粒子點(diǎn)火燃燒過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述進(jìn)氣段可充入單種氣體或同時(shí)充入不同的多種氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述觀察窗材料為石英玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子氣流懸浮激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述球形粒子材料為塑料。
【文檔編號(hào)】G01N31/12GK104330519SQ201410598479
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】胡松啟, 陳靜, 李進(jìn)賢, 王鵬飛 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)