[发明专利]一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置及方法

说明书

本发明属于航空航天技术领域，提供了一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置及方法。该装置利用压缩空气来建立内部压力环境，主要参数可调，能够准确修正发动机工作时燃烧室压强所引起的固体推进剂声速变化。其特征是利用高压气泵来建立高压环境，并使用高精度位移传感器测量压强引起的推进剂变形量，再通过超声波换能器及测试软件获得其声速并进行压力修正。本发明的效果和益处是可以准确给出高压环境所引起的推进剂变形误差，直接得到环境压强对固体推进剂内部声速的影响，为超声波动态燃速测量的压力修正提供实验方法和实现手段；与现有的密闭容器压力修正实验相比，可以精确测量推进剂在压力环境下的变形量，使修正更为精确。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，涉及到固体推进剂燃速的超声波动态测试技术，特别涉及到一种由于发动机内部压力变化而导致固体推进剂变形和内部声速变化所引起的测量误差修正装置。

背景技术

固体推进剂燃速是固体火箭发动机设计中的重要参数，它定义为单位时间内沿着推进剂燃烧表面的法线方向上推进剂燃烧掉的部分的厚度。随着固体火箭发动机技术的快速发展，需要更为准确、客观的燃速表示方法来体现外界环境对固体推进剂燃烧性能的影响。

超声波动态燃速测试技术是国外进行固体推进剂动态燃烧性能研究的主要技术手段，可以实时监测发动机工作时固体推进剂的燃速。超声波燃速测量是利用脉冲反射法来测量推进剂的实时厚度。当超声波在不同介质中传播时，遇到声阻抗不同的材料界面就会发生反射，因此通过测量超声波的发射和回波接收时间差，并根据介质中的声波波速就可以得到声波反射面的距离信息。例如把超声波换能器(探头)安装于发动机壳体外侧时，超声波换能器向内部的推进剂装药以一定的频率发射超声波；超声波可以穿透壳体和固体推进剂，并在推进剂/燃气界面(即燃面)发生反射，反射波由换能器再次接收后，就可以计算出燃面的位置；通过测量不同时刻时的燃面位置，即可获得燃速。

因为基于超声波技术的动态燃速测量精度直接受到材料中的超声波传播速度的影响，而超声波在材料中的传播速度与材料受压状态有关，所以燃烧室压力变化会对超声波信号的传播特性造成影响。目前来说，国外对于超声法燃速测试技术中因压力变化造成的声波波速变化，都是采用公式：

对波速v_s进行修正。其中，v_s为超声波在材料中传播的速度；k_p是由经验确定的常数，它代表了推进剂中声波速度的压力敏感性，通常由实验测量得到；下标ref表示参考条件。在实际操作时，将推进剂试样放入密闭燃烧器，然后根据需要调节密闭燃烧器内的压力，使用超声波测试设备测量出超声波在推进剂中的传播时间τ_s，通过公式：

v_s＝2L_s/τ_s (2)

计算出不同压强下的声速，再计算获得k_p。计算过程中，试样厚度L_s为初始厚度L_s,ref。

这种声速修正方法的主要不足是由于推进剂在高压下会发生变形，即厚度发生变化，所以该方法无法确定变形造成的影响。

发明内容

本发明提供了一种利用高压气泵来建立高压环境，并使用高精度位移传感器测量由于内压环境造成的推进剂变形量ΔL，再通过超声波换能器及测试软件获得其声速并进行压力修正的实验装置。该装置解决了密闭高压环境内推进剂变形量测量的问题，能够准确测量压力环境下推进剂变形量对声速的影响，从而获得的修正声速更加精确；同时实验装置结构简单，压力调节方便、操作方便快捷。

本发明的技术方案：

一种用于压力变化条件下测量固体推进剂声速的装置，通过该装置对固体火箭发动机内压环境所造成的燃速测量误差进行修正；该装置分为超声波测量段、圆筒段和高精度位移测量机构三部分；