(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210652332.2 (22)申请日 2022.06.06 (66)本国优先权数据 202111024714.2 2021.09.02 CN (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 李军伟　贺业　徐博　覃生福　 田忠亮　王宁飞　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 邬晓楠 (51)Int.Cl. G01M 15/02(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物 的实验发动机 (57)摘要 本发明公开的过载下兼具测量瞬态燃速和 收集凝相产物的实验发动机， 属于固体 火箭发动 机过载实验领域。 本发明通过旋转过载台悬臂模 拟发动机过载环境； 通过收集装置B收集停留在 固体推进剂燃面的凝相产物。 利用气体和凝相产 物惯性差， 通过收集装置A收集凝相产物。 通过建 立固体推进剂瞬态燃速测算模型， 利用固体推进 剂瞬态燃速测算模型实现瞬态燃速的高精度高 效测量。 收集装置A分区收集随燃气流走的凝相 产物， 进而分析在过载力作用下燃烧室内两相流 动规律和凝相产物的形貌、 粒度、 成分情况。 采用 喷气装置和燃烧室壳体垂直的结构布局， 进行过 载方向与燃面退移方向成任意角度θ的过载实 验； 通过改变过载台悬臂的转速， 进行不同过载 下的发动机实验。 权利要求书4页 说明书7页 附图3页 CN 115127817 A 2022.09.30 CN 115127817 A 1.过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特征在于： 包括兼具测 量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机(1)、 固定工装(2)、 过载台(3)； 通过固定工装(2) 将兼具测量瞬态燃速和收集凝相产 物的实验发动机(1)固定在过载台(3)的悬臂上， 通过旋 转过载台悬臂模拟发动机过 载环境； 所述兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动 机(1)， 简称实验发动 机(1)包括端 盖(1.1)、 燃烧室壳体(1.2)、 外垫块(1.3)、 堵头(1.4)、 收集装置B底盖(1.5)、 O ‑型密封圈 (1.6)、 垫片(1.7)、 内垫块(1.8)、 收集装置B盒子(1.9)、 固体推进剂(1.10)、 绝热套(1.11)、 点火药包(1.12)、 收集装置A盖子(1.13)、 收集装置A盒子(1.14)、 点火器基座(1.15)、 点火 器密封件(1.16)、 压力传感器基座(1.17)、 泄压阀底座(1.18)、 爆破塞(1.19)、 泄压阀封头 (1.20)、 喷管底座(1.21)、 喷管封头(1.22)、 喷管衬套(1.23)、 喷管喉套(1.24)、 喷管 (1.25)； 所述固体推进剂(1.10)带有包覆层， 提前浇注在收集装置B盒子(1.9)内； 所述实验发 动机(1)置于过载台(3)悬臂， 通过旋转过载台(3)悬臂， 模拟导弹飞行过程中的过载环境； 即当固体推进剂装药(1.10)燃烧产生的凝相产物受到的与燃面退移方向相同的过载力大 于凝相产物受到的气动力， 凝相产物就会停留在燃面， 直接被收集装置B收集； 燃烧室壳体(1.2)为 中空圆柱体； 收集装置B和收集装置A分别位于壳体(1.2)内左右两 端， 正对放置； 喷气装置与燃烧室壳体(1.2)垂直； 推进剂(1.10)燃面产生的气体和随气体 流走的凝相产 物会沿着发动机(1)轴向运动， 当到达喷气装置入口时， 由于气体和凝相产 物 的惯性差， 气体通过喷气装置 溜走， 凝相产物会继续沿轴向运动， 进入收集装置A内； 所述收集装置B包括收集装置B底盖(1.5)、 垫片(1.7)、 内垫块(1.8)、 收集装置B盒子 (1.9)； 收集装置B盒子(1.9)为顶端不封口的中空圆柱形结构； 垫片(1.7)起密封作用， 防止 高温燃气从底部进入收集装置B内； 同时装 药(1.10)带有包覆层， 防止燃烧 过程中高温燃气 侵蚀收集装置B； 内垫块(1.8)和外 垫块(1.3)起缓冲 作用， 共同保护收集装置B底盖(1.5)。 2.如权利要求1所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 所述传感器基座(1.17)用于安装高频压力传感器， 测量燃烧器内的压强； 通过分析 燃烧室压强、 推进剂性能、 发动机参数， 建立固体推进剂瞬态燃速测算模型， 利用所述固体 推进剂瞬态燃速测算模型实现 瞬态燃速的高精度高效测量， 进而便于 分析推进剂的瞬变特 性。 3.如权利要求2所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 所述收集装置A包括四个区域： 收集区域1为内胆， 收集区域2为沿着重力加速度方 向， 收集区域3为沿着科氏加速度方向， 另外还有收集区域4； 进而分析在过载力作用下， 重 力、 科氏加速度对燃烧室内两相流动规 律和凝相产物的形貌、 粒度、 成分的影响。 4.如权利要求3所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 采用喷气装置和燃烧室壳体(1.2)垂 直的结构布局； 即使 过载方向与燃面退移方向 成的角度θ ≥90 °， 喷气装置喷出的高温燃气也不会损坏固定装置(2)和过载台(3)； 即能够 进行过载方向与燃面退移方向成任意角度θ(0≤θ≤π )的过载实验； 同时， 发动机两侧端盖 (1.1)相同， 方便对调在过载台(3)上的位置； 通过改变过载台(3)悬臂的角速度ω模拟不同 大小的过载环 境， 即本发明能够在过载方向与燃面退移方向成任意角度 θ(0≤θ≤π )和不同 大小过载下测量推进剂的瞬态燃 速和收集凝相产物。权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115127817 A 25.如权利要求4所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 将发动机沿着两侧悬臂对称放置， 一次进行两个工况的实验， 显著 节省实验成本 。 6.如权利要求5所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 所述固体收集装置A的内径大于燃烧室壳体(1.2)中间部位的内径， 有利于凝相产 物的收集； 所述固体收集装置A的外径小于燃烧室壳体(1.2)右侧部位的内径， 有利于取出 收集装置A。 7.如权利要求6所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 所述推进剂(1.10)燃面与收集装置A初始距离仅为100mm， 所述喷气装置中心轴线 与收集装置A 距离仅为3 0mm， 有利于 凝相产物进入收集装置A中。 8.如权利要求6所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 过 载方向与燃面退移方向成角度 θ ＝0 °时， 对收集装置B的收集方法如下， 实验发动机(1)夹持在过载台(3)的悬臂上， 随悬臂一起逆时针旋转， 旋转的角速度为 定值ωe， 速度为ve， 凝相产物到过载台(3)中心的矢量距离为r， 凝相产物与实验发动机(1) 的相对速度为vg； 凝相产物受自身1g竖直向下的加速度， 受到离心过载加速度 矢量形式为： 受到科氏加速度矢量形式为： ac＝2·ωe×vg， 由于凝相产物相对于实验发动机 (1)移动产生的加速度矢量形式为： 由于气动力产生的加速度矢量形式为： 其中FD为凝相产物受到的气动力， 气动力是由于凝相产物表面的流速差导致的压 强差产生得； m为凝相产物的质量； 当ae+ar≥aD时， 凝相产物 就会随着 燃面一起退移； 从而被 收集装置B收集； 当ae+ar＜aD时， 凝相产物会随着 燃气离开燃面， 由于喷气装置与壳体(1.2) 垂直， 且凝相产物与气体有惯性差， 气体会从喷气装置溜走， 凝相产物会进行收集装置A中 被收集装置A收集。 9.如权利要求6所述的过载下兼具测量瞬态燃速和收集凝相产物的实验发动机， 其特 征在于： 过 载下瞬态燃 速的采集方法如下， 步骤一： 确定 燃烧室自由容积中的燃气储 存量的变化 量 以整个燃烧室的自由容积为控制体、 根据质量守恒原则， 推进剂燃面 的质量生成率 分为两部分： 一部分经过喷管排出， 即喷管质量流率 另外一部分即为燃烧室自由容积 中的燃气储 存量的变化 量 即 的表达式为： 步骤二： 对 的表达式进行变形； 燃烧室自由容积中的燃气储存量即为燃烧室自由容积中的燃气密度乘以燃烧室的自 由容积， 变化 量即为对时间的导数， 即： 燃面的质量 生成率 为单位时间内燃烧的固体 推进剂的质量； 即权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115127817 A 3