本發(fā)明屬于航空宇航推進(jìn)技術(shù)研究范疇，涉及一種基于燃面標(biāo)識(shí)的固體推進(jìn)劑燃速辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

固體推進(jìn)劑的燃速是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析的重要參數(shù)，也是推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝中需要嚴(yán)格控制的主要指標(biāo)之一。燃速的測(cè)量對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)有著重要指導(dǎo)作用。通常所說(shuō)的燃速指線性燃速，即單位時(shí)間內(nèi)沿火藥燃燒表面的法線方向上固相消失的距離，用(單位時(shí)間內(nèi)燃去的肉厚)表示，業(yè)內(nèi)常用的燃速經(jīng)驗(yàn)公式為r＝apⁿ(a,n為根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的常數(shù)，p為燃燒室壓強(qiáng))。目前國(guó)內(nèi)外常用的燃速測(cè)量方法主要有以下幾種：

(1)靶線法和水下聲發(fā)射法是當(dāng)下最常用的燃速測(cè)定方法，兩者都是通過(guò)測(cè)定在初溫和壓強(qiáng)不變條件下固定長(zhǎng)度的固體推進(jìn)劑藥條的燃燒時(shí)間，求出的是藥條在整個(gè)燃燒時(shí)間內(nèi)的平均燃速。這兩種方法提供了簡(jiǎn)單，快捷的燃速測(cè)量思路，且近年來(lái)針對(duì)兩種方法的不足提出了很多改進(jìn)方案，但依然無(wú)法從根本上改變靜態(tài)平均燃速測(cè)定的機(jī)制，而靜態(tài)燃速測(cè)量方法無(wú)法做到真實(shí)的模擬固體推進(jìn)劑在工作環(huán)境中的燃燒過(guò)程，從而無(wú)法做到精確可信，已經(jīng)無(wú)法滿足生產(chǎn)，科研需求。

(2)劉科祥，裴慶等提出了一種在靶線法基礎(chǔ)上改進(jìn)的自升壓式多靶線動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試方法，原理為通過(guò)測(cè)試燃燒室內(nèi)內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)變化量得出式樣長(zhǎng)度的變化函數(shù)：(l是藥條長(zhǎng)度，t為時(shí)間，t為燃?xì)鉁囟?，p為燃燒室壓強(qiáng)，k1,k2,k3為待定常數(shù))，通過(guò)測(cè)試6條靶線燒斷的瞬時(shí)壓強(qiáng)和溫度分段確定k1,k2,k3，然后對(duì)壓強(qiáng)溫度信號(hào)進(jìn)行修正從而得出燃速隨時(shí)間變化的函數(shù)。該方法實(shí)現(xiàn)了在一定溫度和壓強(qiáng)范圍內(nèi)燃速的實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)試，進(jìn)而計(jì)算燃速壓強(qiáng)指數(shù)和燃速溫度敏感系數(shù)，動(dòng)態(tài)的得到了燃速公式，與傳統(tǒng)方法相比具有快速高效的特點(diǎn)，但其測(cè)量誤差和測(cè)試壓強(qiáng)范圍有限的問(wèn)題仍有待解決。

(3)美國(guó)的osborn，burick等人在上世紀(jì)六十年代提出的超聲燃速測(cè)量方法是利用超聲探頭通過(guò)向固體推進(jìn)劑藥柱內(nèi)部發(fā)射超聲波并接受燃面回波來(lái)測(cè)量燃速，這種方法在國(guó)外應(yīng)用比較普遍，國(guó)內(nèi)還處于起步階段。其主要優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備簡(jiǎn)單輕便，可以測(cè)量三維藥柱燃面上某點(diǎn)的燃速，但是會(huì)受到殼體強(qiáng)度的限制和聲速變化的影響且技術(shù)難度較大，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域仍處于探索性階段，離成熟運(yùn)用還有很大距離。

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)法是通過(guò)試車試驗(yàn)讓推進(jìn)劑保持恒面燃燒，即在基本不變的壓強(qiáng)和燃速下工作，然后用燃燒肉厚與燃燒時(shí)間之比確定在這一工作壓強(qiáng)下的燃速。由單次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)獲得該工作壓強(qiáng)下的燃速，通過(guò)一系列發(fā)動(dòng)機(jī)在不同壓強(qiáng)下的試驗(yàn)來(lái)獲得推進(jìn)劑的燃速關(guān)系式。它能夠模擬固體推進(jìn)劑在固體發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)際裝藥形式進(jìn)行燃燒性能測(cè)試，故可以得到接近實(shí)際工作條件下的測(cè)試結(jié)果。但其缺陷也很明顯，一是耗費(fèi)成本高且工作量大，需要數(shù)次試驗(yàn)才能得出結(jié)果，二是一次試驗(yàn)得到的內(nèi)彈道信息沒(méi)有得到充分利用，造成了數(shù)據(jù)浪費(fèi)。

綜上看來(lái)，目前國(guó)內(nèi)外常用的燃速測(cè)量方法中，靜態(tài)燃速測(cè)量方法存在著精度低，無(wú)法滿足需求的問(wèn)題，而其他動(dòng)態(tài)測(cè)量方法在耗費(fèi)成本，測(cè)試效率，技術(shù)難度上都存在著較大的不足。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)法很難定量確定藥柱燃燒過(guò)程中的燃面變化情況等導(dǎo)致的測(cè)量精度不夠，發(fā)動(dòng)機(jī)法單次試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用率低引起的耗時(shí)耗材，國(guó)內(nèi)尚未完全掌握的超聲速法技術(shù)難度大等問(wèn)題)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于燃面標(biāo)識(shí)的固體推進(jìn)劑燃速辨識(shí)方法，解決當(dāng)前固體推進(jìn)劑燃速測(cè)定方法的不足(靶線法無(wú)法真實(shí)模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中推進(jìn)劑所處的實(shí)際環(huán)境問(wèn)題。

技術(shù)方案

一種基于燃面標(biāo)識(shí)的固體推進(jìn)劑燃速辨識(shí)方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、藥型的設(shè)計(jì)：所設(shè)計(jì)的藥型為管型裝藥，內(nèi)孔直徑沿軸線分成三段，中間段內(nèi)孔直徑最小，兩側(cè)段內(nèi)孔直徑大于中間段，兩側(cè)內(nèi)孔滿足以下條件：①一側(cè)孔深大于另一側(cè)孔深，且兩孔深度均要大于各自內(nèi)孔段藥柱內(nèi)壁到外壁距離；②較深孔直徑小于較淺孔的直徑；③兩側(cè)內(nèi)孔段燃燒肉厚差與較淺孔和中間內(nèi)孔段燃燒肉厚差相等；

步驟2、燃面標(biāo)識(shí)：將按照步驟1的設(shè)計(jì)制作好的藥型裝入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火，得到壓強(qiáng)-時(shí)間曲線；藥柱在燃燒過(guò)程中，肉厚不同的三段裝藥分別在不同的時(shí)間點(diǎn)燃盡，每段燃盡的時(shí)間點(diǎn)為一個(gè)燃面標(biāo)識(shí)的特征點(diǎn)；三個(gè)特征點(diǎn)反應(yīng)在壓強(qiáng)-時(shí)間曲線上為三個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)a,b,c,d；所述a點(diǎn)為壓強(qiáng)驟降前一瞬間的時(shí)間和壓強(qiáng)；所述b點(diǎn)為大直徑孔段裝藥部分即將燃盡的時(shí)間和壓強(qiáng)；所述c點(diǎn)為初始內(nèi)孔段裝藥部分即將燃盡的時(shí)間和壓強(qiáng)；所述d點(diǎn)為小直徑孔段裝藥部分即將燃盡的時(shí)間和壓強(qiáng)；

步驟3、燃速辨識(shí)：利用試驗(yàn)得到的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)平衡壓強(qiáng)公式求得四個(gè)特征點(diǎn)處的瞬時(shí)燃速，每相鄰兩個(gè)特征點(diǎn)能夠辨識(shí)出所在壓強(qiáng)區(qū)間的燃速，從而得到ab,bc,cd三段不同壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃速公式，求解過(guò)程如下：

其中：pc為工作壓強(qiáng)，c^*為特征速度，ρ為推進(jìn)劑藥柱密度，r為燃速，ab為燃面面積，at為噴管喉部面積，a,n為燃速公式中欲辨識(shí)參數(shù)。

所述中間段內(nèi)孔直徑為14-17mm。

有益效果

本發(fā)明提出的一種基于燃面標(biāo)識(shí)的固體推進(jìn)劑燃速辨識(shí)方法，首先設(shè)計(jì)一個(gè)三段直徑不同的藥型，然后進(jìn)行燃燒試驗(yàn)；根據(jù)記錄的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線上三段不同肉厚裝藥即將燃盡的時(shí)刻和壓強(qiáng)，以及剩余形狀即明確了當(dāng)前的燃面面積；利用試驗(yàn)得到的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)平衡壓強(qiáng)公式等方法便能求得四個(gè)特征點(diǎn)處的瞬時(shí)燃速，得到ab,bc,cd三段不同壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃速公式，進(jìn)行燃速辨識(shí)。

優(yōu)越性：

1、本發(fā)明提出通過(guò)階梯狀變?nèi)夂駵p面燃燒的藥型進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量燃速，且完成了通過(guò)一次試驗(yàn)得到三段曲線從而辨識(shí)得到三個(gè)燃速，實(shí)現(xiàn)了效率的提高，成本的降低。

2、本發(fā)明提出了通過(guò)對(duì)燃面進(jìn)行標(biāo)識(shí)結(jié)合試驗(yàn)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線來(lái)求得燃速，方法簡(jiǎn)單易解。

3、本發(fā)明適用性較廣，在該藥型基礎(chǔ)上改變藥柱和噴管的尺寸參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)壓強(qiáng)下的燃速測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1：基于燃面標(biāo)識(shí)的燃速測(cè)量方法流程圖

圖2：設(shè)計(jì)實(shí)施例藥型三維視圖與二維剖面圖

圖3：改變藥柱長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)范圍的調(diào)整示意

圖4：設(shè)計(jì)實(shí)施例藥型的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線趨勢(shì)圖

圖5：設(shè)計(jì)實(shí)施例藥型燃燒后b,c,d三個(gè)特征點(diǎn)處的藥柱剩余形狀

圖6：本發(fā)明方法計(jì)算曲線相比原始方法與試驗(yàn)對(duì)比圖

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

基于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)法，設(shè)計(jì)一種新型藥型進(jìn)行地面試車試驗(yàn)，得到壓強(qiáng)-時(shí)間曲線，根據(jù)曲線選取特征點(diǎn)進(jìn)行燃面標(biāo)識(shí)，利用基本公式即可解出分段壓強(qiáng)內(nèi)的燃速并得到燃速表達(dá)式，流程如圖1。

具體說(shuō)明如下：

(1)藥型的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)法所用藥柱一般為全表面燃燒管型裝藥，這種藥型燃燒過(guò)程中無(wú)法確定某時(shí)間點(diǎn)下的燃面，在此提出藥型的改進(jìn)方案。本發(fā)明所設(shè)計(jì)藥型同樣是管型裝藥，但不同的是，藥的內(nèi)孔直徑不是單一尺寸，而是沿軸線分成三段，中間段內(nèi)孔直徑最小(設(shè)計(jì)直徑一般在14-17mm)，兩側(cè)段內(nèi)孔直徑均比中間段大，這樣藥柱就形成了臺(tái)階狀的三段不同的燃燒肉厚，且要滿足以下條件：①一側(cè)孔深要略大于另一側(cè)孔深，且兩孔深度均要略大于各自內(nèi)孔段的燃燒肉厚(該段藥柱內(nèi)壁到外壁距離)②較深孔直徑小于較淺孔③兩側(cè)內(nèi)孔段燃燒肉厚差與較淺孔和中間內(nèi)孔段燃燒肉厚差近似相等。藥型總體的尺寸參數(shù)根據(jù)實(shí)際要求(欲要測(cè)量的壓強(qiáng)范圍，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和噴管喉部半徑)來(lái)具體設(shè)計(jì)。

圖2為實(shí)施例的實(shí)際尺寸(圖中尺寸均為mm)，總長(zhǎng)為170，外徑為54；中間段內(nèi)孔直徑最小，為14；一側(cè)內(nèi)孔直徑為34，深度即長(zhǎng)度為20；另一側(cè)內(nèi)孔直徑為24，深度即長(zhǎng)度為25。

所示藥型尺寸為例加以說(shuō)明，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整并通過(guò)內(nèi)彈道計(jì)算驗(yàn)證可以滿足任意壓強(qiáng)范圍的需求(主要是對(duì)藥的長(zhǎng)度和直徑進(jìn)行改變，兩端孔的深度和直徑進(jìn)行同比例調(diào)整即可)，如圖3所示。

(2)燃面標(biāo)識(shí)

藥柱在燃燒過(guò)程中，肉厚不同的三段裝藥分別在不同的時(shí)間點(diǎn)燃盡，每段燃盡的時(shí)間點(diǎn)即為一個(gè)燃面標(biāo)識(shí)的特征點(diǎn)。反應(yīng)在壓強(qiáng)-時(shí)間曲線上就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)b,c,d。(如圖4)。該藥柱的形狀特點(diǎn)決定了在三段不同肉厚部分裝藥即將燃盡的時(shí)刻，藥柱會(huì)分別呈現(xiàn)出可預(yù)先計(jì)算得到的剩余形狀(如圖5)，而明確了藥柱的剩余形狀即明確了當(dāng)前的燃面面積，基于對(duì)特征點(diǎn)a,b,c,d四處燃面的標(biāo)識(shí)(此處需要注意的問(wèn)題是，所取的特征點(diǎn)是指壓強(qiáng)驟降前一瞬間的時(shí)間點(diǎn)，也就是說(shuō)即將燃盡的肉厚部分還并未完全消失，此時(shí)還剩一處薄筒狀余藥，所要標(biāo)識(shí)的燃面面積不可忽略這一薄片處的面積)，即可進(jìn)一步求解出燃速。

(3)燃速辨識(shí)

利用試驗(yàn)得到的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)平衡壓強(qiáng)公式等方法便能求得四個(gè)特征點(diǎn)處的瞬時(shí)燃速，每相鄰兩個(gè)特征點(diǎn)可以辨識(shí)出所在壓強(qiáng)區(qū)間的燃速，從而得到ab,bc,cd三段不同壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃速公式，求解過(guò)程如下：

公式說(shuō)明：pc為工作壓強(qiáng)，c^*為特征速度，ρ為推進(jìn)劑藥柱密度，r為燃速，ab為燃面面積，at為噴管喉部面積，a,n為燃速公式中欲辨識(shí)參數(shù)。

辨識(shí)結(jié)果如圖6所示，可以看出，相比利用推進(jìn)劑出廠數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果，該方法得到的結(jié)果能夠做到與試驗(yàn)結(jié)果曲線能更好的貼合，后續(xù)還可以進(jìn)行算法的優(yōu)化得到更精確的燃速。利用以上方法實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一次試驗(yàn)對(duì)三段不同壓強(qiáng)范圍的燃速進(jìn)行測(cè)定，相比起傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)法所用的等燃面藥型效率得到大大提高。