Rearch on the application of ultrasonic in the measurement of
solid propellant burning rate
Abstract
With the continuous development of rocket technology, the propulsion systems put forward higher and higher requirements for the performance of solid rocket motor, of which the burning rate of propellant is one of the important indicators.The ultrasonic measurement method of solid propellant burning rate, which has many advantages, has been widely ud in foreign countries.However, in China, the industrial application of ultrasonic burning rate measurement technology has not been realized yet.In this paper, the feasibility of industrial application of ultrasonic burning rate measurement is studied. A high pressure clod burner system is designed, which has been ud to record the combustion process of solid propellant by ultrasonic measurement method. This system can be ud as a standard equipment for measuring burning rate of solid propellant in industry.
First of all, according to the characteristics of ultrasonic burning rate measurement, the static tests are carried out. The ultrasonic characteristics databa of materials of solid engine is established. T he influence of different burning surface profile characteristics on ultrasonic echo signal is studied, and the
feasibility of measuring complex charge profile by ultrasonic method is explored.
Secondly, the influence of combustion chamber pressure on burning rate measurement is analyzed and a dynamic compression device is designed. This device can accurately measure the deformation of propellant under pressure environment, and get more accurate propellant pressure influence coefficient, which provides experimental method and implementation means for error correction of ultrasonic dynamic burning rate measurement.
Finally, a high pressure clod burner system is designed, which has been ud to record the combustion process of solid propellant in the clod combustor. Two-dimensional image processing method and image enhancement technology have been ud to obtain the position of the burning surface. The real-time burning rate data in 0 ~ 15MPa range and the corresponding relationship between burning rate and pressure can be obtained.
Key Words：Solid propellant; Burning rate measurement; Ultrasonic; Propagation characteristics; Measurement system
II
目录
摘要........................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................ II 1绪论. (1)
放学后的英语
1.1研究背景 (1)
1.2国内外研究现状 (1)
1.3研究目标与内容 (8)
2超声测量的物理基础 (10)
2.1超声波的描述 (10)
2.2超声波的传播特性 (11)
2.2.1波的叠加 (11)
2.2.2超声波的散射和衍射 (11)
马油膏2.2.3超声波的衰减特性 (12)
2.3超声波在平界面上的反射和透射 (13)
2.4本章小结 (15)
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3超声燃速测量静态实验 (16)
3.1超声波探头贴合效果实验 (16)
3.1.1实验过程 (16)
3.1.2实验数据与分析 (17)
3.2超声波传播速度的测定 (18)
3.3超声波信号衰减的测定 (20)
3.3.1信号衰减的测量方法 (20)
3.3.2信号衰减测量实验 (21)
3.3.3实验结果验证 (22)
3.4粘贴表面的反射和透射特性研究 (23)
3.4.1粘贴表面的反射和透射特性测量方法 (23)
3.4.2有机玻璃/推进剂粘贴表面的反射和透射特性 (23)
3.4.3有机玻璃材料/推进剂粘贴表面的往返透过率 (25)
3.5燃面特征对回波信号的影响研究 (27)
3.5.1内孔燃面特征对回波信号的影响 (27)
3.5.2星型装药回波特性的研究 (29)
3.6本章小结 (39)
4燃烧室压强对燃速测试的影响与修正 (41)
4.1燃烧室压强对燃速测试的影响 (41)
4.2密闭加压测量装置的设计 (44)
4.3压力修正系数的测定 (45)
4.4本章小结 (49)
5用于燃速测量的燃烧系统设计 (50)
5.1燃烧装置的设计 (50)
5.1.1燃烧器的热力计算 (51)
5.1.2燃烧器的结构设计 (54)
5.2超声波燃速测量软硬件 (60)
5.3远程测试控制系统 (60)
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5.4本章小结 (61)
6超声波法固体推进剂燃速测试 (62)
6.1燃速测试前的准备工作 (63)
6.1.1推进剂试样的准备 (63)
6.1.2推进剂内部超声波传播速度的测量 (64)
6.1.3燃速测试系统的调试 (64)
6.2燃速测试数据处理方法 (65)
6.2.1获取厚度数据的方法 (65)
6.2.2获取燃速的方法 (67)
6.3燃速测试数据处理与分析 (69)
6.4本章小结 (74)
7论文工作总结与展望 (75)
参考文献 (77)
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 (80)
致谢 (81)
大连理工大学学位论文版权使用授权书 (82)
IV
1绪论
1.1研究背景
固体火箭技术不仅应用于战术导弹、战略洲际导弹和反洲际导弹等[1, 2]，也用于其他民用方向，如作为救生、紧急情况下使用的抛放火箭、激发振动的固体激振源和产生高温燃气的固体燃气发生器等[3]。
固体推进剂是固体火箭发动机的动力来源，它在发动机的燃烧室内燃烧，产生高温高压的燃气并通过喷管以高速向后喷出，从而获得反作用推力，使火箭克服阻力向前飞行，完成预定任务[4, 5]。
固体推进剂燃烧的速率称为“燃速”，是表征推进剂配方的重要指标，也是影响固体发动机工作特性的重要因素[6, 7]。固体推进剂的燃速主要分为线性燃速和质量燃速，目前工业上普遍采用的是线性燃速，它是指推进剂燃烧表面在单位时间内沿法线方向所移动的距离[7]。
张学友经典歌曲十首燃速决定着固体推进剂的能量释放速率，也是计算固体推进剂动态燃速测量（燃速压强指数、燃速温
度敏感系数、侵蚀比等）的核心参量[8, 9]。燃烧室压强、初温、燃气的气流速度等影响因素的变化，最终都将反映在燃速的变化上。因燃速与燃烧过程紧密相关，所以对燃速特征的深入研究不仅有助于理解固体推进剂的燃烧机理[10, 11]，而且有助于探索固体发动机不稳定燃烧等现象的内在原因[12]。
推进剂燃速特征的准确表述是摆在固体推进剂和发动机研究者面前的一项重要课题。在过去几十年的发展过程中，世界各国的研究者提出了许多模型来预示推进剂的燃速特性，但是迄今为止尚未形成可靠的模型，只能通过实验测试来研究[13-15]，因此燃速测试就成为固体推进剂和发动机研制中的关键环节和基础。
1.2国内外研究现状加菲猫图片卡通
固体推进剂燃速的测试方法有两种类：静态测试和动态测试[7]。现阶段国军标的规定中有如下两种常用的静态燃速测试方法，分别为氮气靶线法和水下声发射法[16, 17]。
靶线法最早由美国的Craeford和Hugget在1944年提出，沿用至今。如图1.1所示[18]，该方法是将一个标准尺寸的推进剂药条置于恒压的燃烧器中燃烧。药条为圆柱形或方柱形，其侧面做包覆阻燃，并在长度方向打若干孔并测定孔的
位置，孔中安放细金属导线作为靶线。测试过程中，借助细金属导线的熔断作为触发计时器的开关，英语二翻译
通过电测法检测得到导线熔断时的燃面位置和时刻。这样，根据推进剂在靶线之间的燃烧距离和时间，就可以求得燃速[7, 18, 19]。
图1.1 靶线法示意图
Figure. 1.1 Target line method
水下声发射法由美国的Robert等人1973年提出，如图1.2所示[20]。在该方法中，燃烧肉厚为直接测量的推进剂试样长度，通过监测燃烧过程中伴生的声发射信号来测定总的燃烧时间，两者相除得到平均燃速[20]。该方法也采用推进剂药条进行测试，点火药将药条的端面覆盖，以隔绝药条与水的接触[7]；药条在水中燃烧时，周围的水充当了包覆层，可以阻止药条侧面的燃烧；并且在药条燃烧过程中，保持实验压强不变。
图1.2 声发射法示意图培训的英语
Figure. 1.2 Acoustic emission method
上述静态测试方法是在恒温或恒压条件下对固体推进剂的燃烧情况进行测量，其优点是：
（1）发展时间长、测量技术成熟，在工业上已经广泛应用；
（2）只需要采集起始靶和终止靶等特定位置的数据，测试系统的搭建较为
