[发明专利]发动机燃烧尾气颗粒粒径分布在线测试装置及测试方法

说明书

本发明公开了一种发动机尾气颗粒粒径分布在线测试系统及测试方法，装置包括用于发射平行单色光束至样品区的粒度仪发射端、用于接收经将样品区散射的散射光并输出光矢量至控制单元的粒度仪接收端、粒度仪试验台和控制单元，粒度仪发射端和粒度仪接收端之间设有待测样品测试区，控制单元与粒度仪接收端相连，控制单元包括数据处理单元，数据处理单元用于控制采集时间并将所测光矢量数据转化为所需粒径分布数据。本发明的在线测试装置结构简易、操作简易、可实时测量及测试精度高。

技术领域

本发明属于发动机燃烧测试技术领域，具体涉及一种发动机燃烧尾气颗粒粒径分布在线测试装置及测试方法。

背景技术

固体火箭发动机具有高可靠、免维护、低成本等特点，得到广泛运用。但固体推进剂燃烧时会产生大量的凝相燃烧颗粒，高温燃气中的颗粒对声振荡产生颗粒阻尼，约占维持发动机稳定工作所需总阻尼的30％，颗粒阻尼大小与凝相燃烧颗粒度分布有关。这些颗粒可引起两相流损失、绝热材料烧蚀。燃烧室内的凝相燃烧颗粒所引起的两相流损失可造成发动机比冲降低3％～5％。此外，燃气中2μm以下粒径颗粒能引起排气羽流能见度显著增加，暴露飞行轨迹，衰减武器系统的制导信号。在衡量凝聚程度、燃烧效率以及两相流的流场计算中，推进剂燃烧后产物的粒度分布是一项很重要的参数。掌握其分布规律并以此作为固冲发动机热力学计算以及两相流设计研究的前提和基础，将会大大提高发动机热力计算和两相流分析研究的水平，因此，粒度分析对于研究固体推进剂的燃烧机理、建立合理的燃烧模型以及推进剂配方的改进等方面均具有重要意义。

国内外对固体火箭发动机燃烧生成的凝聚相颗粒开展了大量研究工作，随着科学研究和生产实践飞速的发展，颗粒测量仪器得到进一步的促进。目前常见的收集测量发动机尾气中凝聚相颗粒的方法主要包括机械法与光电法。机械法指的是通过传统的机械接触的方法，对凝聚相颗粒进行收集测量，如筛分，显微镜，沉降，电感等；光电法指的是通过光学散射或高速摄影等方法，不实际接触凝聚相颗粒，通过光学的方法对凝聚相颗粒进行测量。

由于发动机点火测试环境十分恶劣，因此长期以来对发动机燃烧尾气颗粒粒度的测试与研究都是以机械法为主，由于机械法需要特定的收集装置，甚至有些需要特殊的发动机型号，不仅造成操作上的不便，且由于收集装置的加入尾流场发生改变，造成测试结果的不完整以及失真，同时也不能对发动机尾气进行实时的测量，还具有较多的局限性。相比较于机械法，光电法测试系统不需要与发动机尾气进行直接的接触，因此不会影响到外流场的流动状态，同时还可以对发动机尾气进行实时在线测量，光电法测量凝聚相颗粒系统较为复杂，成本与测量费用较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构和操作简单、测试精度高的发动机燃烧尾气颗粒粒径分布在线测试装置及测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种发动机燃烧尾气颗粒粒径分布在线测试装置，包括粒度仪发射端、粒度仪接收端、粒度仪试验台和控制单元，粒度仪发射端和粒度仪接收端相对设置于粒度仪试验台上，粒度仪发射端包括依次同轴设置的激光器、扩束镜和第一汇聚镜头，粒度仪接收端包括依次同轴设置的傅里叶镜头、第二汇聚镜头和光电探测器，粒度仪发射端和粒度仪接收端之间设有待测样品测试区，由激光器发出的光束经扩束镜和第一汇聚镜头后得到平行单色光束照射至待测样品测试区中的样品时发生散射，散射光经傅里叶镜头和第二汇聚镜头后成像在光电探测器上，控制单元与粒度仪接收端相连，控制单元包括数据处理单元，数据处理单元用于控制采集时间并将所测光矢量数据转化为所需粒径分布数据，所述光电探测器为环形光电探测器。

进一步地，粒度仪试验台包括台面、设于台面底部的脚轮和粗调升降装置，所述粒度仪发射端和粒度仪接收端的底部分别设置有细调升降装置，所述细调升降装置位于所述台面上。

进一步地，还包括与光电探测器相连的驱动装置，用于控制光电探测器使经傅里叶镜头和第二汇聚镜头的散射光完全垂直于光电探测器。