[发明专利]一种多功能雾化试验系统

说明书

本发明公开了一种多功能雾化试验系统，包括高压雾化实验系统、常压雾化实验系统和推进剂供应系统；高压雾化实验系统包括高压雾化舱和喷雾锥角测量装置一；常压雾化实验系统包括常压喷雾装置、喷雾锥角测量装置二和喷雾粒径测量装置；常压喷雾装置包括喷嘴和喷嘴高度调节架；喷雾粒径测量装置包括高度升降架、滑杆和激光粒度仪；推进剂供应系统能用于为高压雾化舱中喷嘴或喷嘴高度调节架上喷嘴提供气液或液液两组元推进剂。本发明能够进行多种环境下的雾化实验，如常压雾化实验、高背压雾化实验、流量脉动下的雾化实验，还能进行多种喷射介质的雾化实验，以及喷雾锥角和液膜破碎长度的准确测量。

技术领域

本发明涉及火箭发动机领域，特别是一种多功能雾化试验系统。

背景技术

液体火箭发动机在航天器发射、姿态控制和轨道转移等诸多航天活动中均具有重要作用，广泛承担载人登月、火星探索以及深空探测等诸多航天任务。为保证航天任务的顺利进行，需保证液体火箭发动机具有较高的可靠性，然而高频燃烧不稳定却成为抑制其发展的重要因素。

由于开展全尺寸液体火箭发动机的高频燃烧不稳定试验具有高危性，且试验成本高、加工周期长，为提高试验效率，研究者们多开展缩尺模拟试验，而雾化作为燃烧室中重要的子过程，自然备受关注。

由于一般燃烧区域主要集中在喷雾区域内，喷雾锥角过小，可能会导致雾化过程不充分，导致燃烧效率低。喷雾锥角过大，可能会导致推进剂直接喷溅到燃烧室内壁上，导致腐蚀、烧穿内壁，因此非常有必要对喷雾锥角进行测量。

雾化锥角的提取以往通常采用的是直接量取法．一般做法是目测喷雾边界，确定喷雾两侧的边界线，然后采用量角器量取角度或者是将图像导入图像软件，采用功能模块中的量角器获得角度．这种方法简单直接，但带有很强的主观性，尤其是当图像边界模糊时，可能导致研究结果出现很大的误差。近年来，为了提高雾化锥角提取的精度，基于机器视觉的图像检测技术在此逐渐被开发应用。其中，基于MATLAB平台的阈值法已应用到雾化锥角的研究中。阈值法基本原理是通过设定像素亮度的阈值实现区域分割从而获得边界。不过该方法仍然存在不足，其中最大缺陷是在阈值设定上存在很大的主观随意性。

为模拟高频燃烧不稳定发生时的喷嘴出口雾化环境，需要构建可产生高频大幅脉动的反压雾化条件，从而研究高频燃烧不稳定对于喷嘴雾化特性的影响。

液体推进剂流量脉动来源主要有两部分：1：液体火箭发动机燃烧时会产生剧烈的振动，推进剂管道和发动机固定在一起，因此发动机振动会导致推进剂管道发生振动，从而导致推进剂管道中的液体流量发生脉动。2：发动机在发生燃烧不稳定的时候，燃烧室内的压力会发生波动，燃烧室内的压力会通过喷嘴向上游传递，也会导致推进剂流量发生脉动。

由于构建高频大幅脉动反压雾化条件的方法因其能量输入源需同时满足高频率和单次脉动能量较大两个要素，实现难度较大，故这方面的相关研究基本处于空白阶段，有研究者尝试用扬声器模拟扰动源，但是由于能量有限，频率达标了，但幅值过低，难以满足构建高频大幅脉动反压雾化条件的要求。还有通过“活塞式”脉动装置产生脉动，即液体进入活塞空腔，然后通过活塞的快速的压缩使液体流量发生变化，但由于活塞的运动方式是线向运动，限制了频率不能达到实验要求的频率。

燃烧室内液滴分布及液滴粒径的不均匀性会引起燃烧释热不均匀，释热不均匀性直接导致燃烧室内空间压力分布不均匀性。因此有必要对喷雾粒径进行测量，并通过对空间不同位置的粒径进行测量，获得空间内液滴粒径分布规律，从而为发动机喷嘴设计提供指导。现有的液滴粒径测量的方法主要分为三类：

1.机械方法：如将液滴冷冻或冷却成固体颗粒进行测量。由于需要测量特定区域的液滴粒径，因此机械方法不适合采用。

2.电气方法：热线法和充电线法。电气方法适用于测量单个液滴粒径的大小，因此不能测量喷雾大量的液滴。