一种测量固体推进剂频响函数的直吹式变频率振荡实验装置的制作方法

1.本发明属于固体火箭发动机燃烧测试技术领域，具体涉及一种测量固体推进剂频响函数的直吹式变频率振荡实验装置。


背景技术：

2.燃烧不稳定通常是由于燃烧室的声场和推进剂的周期性释热发生耦合，造成燃烧室内出现压强振荡。燃烧不稳定对火箭发动机和涡轮机械的工作会产生非常严重的影响，轻则使发动机不能按照预定的推力和压强工作，重则导致燃烧室壳体的破坏和爆炸。
3.热声不稳定是燃烧不稳定最为主要的一种形式。按照rayleigh准则，如果不稳定释热与燃烧室的振荡声场同相时，将会发生耦合，导致热声不稳定。火箭发动机常发生的不稳定形式为非线性燃烧不稳定，其中主要影响因素是固体推进剂的非线性燃烧响应。
4.为研究固体推进剂的非线性燃烧响应，需要获取推进剂的压强耦合响应函数，定义为压强相对变化率与燃速相对变化率的比值。因此，需要通过一定的方法，模拟产生固体火箭发动机燃烧不稳定发生时的压强振荡。传统的方法包括：通过引入外部激励，如脉冲触发法利用小型火箭发动机点火，产生一定压力和温度的燃气，冲开爆破铝片后进入密闭的试验器腔体中，以获得需要的压强振荡，该方法能够在短时间内产生极大幅值的压强振荡，其主要问题是持续时间不长，衰减较快；通过运动组件的往复运动产生压强振荡，如旋转阀法和活塞法，可产生较大幅值、持续时间长的压强振荡，但操作繁琐，需要对运动组件进行精确控制，且压强振荡频率较低，维护成本较高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置，能够产生较大幅值、长时间稳定的压强振荡。
6.本发明采用以下技术方案：一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置，包括压强振荡源、推进剂夹具和信号源；压强振荡源为两个，左右对称设置，各压强振荡源均包括相连接的扬声器和扬声器收敛段。
7.两个扬声器左右对称设置，且喇叭口相对设置；在各扬声器的喇叭口端沿轴向与扬声器收敛段可拆卸连接、且相连通；两个扬声器间的相位差为为180
°
。扬声器收敛段为两端敞口的壳体状，由扬声器连接端到远端由依次相连接的第一收敛段、等直过渡段和第二收敛段组成，第一收敛段的内腔为钟型结构，且其与所述扬声器的连接端为外扩状。第二收敛段由与所述等直过渡段的连接端到远端由大直径到小直径逐渐过渡，且在第二收敛段远端出口，其内腔收缩为扁平的矩形。
8.推进剂夹具，设置于两个扬声器收敛段出口间的下方，用于夹持竖直向的推进剂药条，并带动推进剂药条在两个压强振荡源间的竖直方向上升或下降；
9.信号源，与两个扬声器分别连接形成回路，用于将给定频率和幅值的电信号传输至扬声器；
10.扬声器用于接收信号源输入的电信号，扬声器的振膜以与信号源的输入频率一致的频率进行周期性振荡，产生周期性压强振荡，并传输；扬声器收敛段用于将扬声器产生的周期性压强振荡汇聚至远端出口，在推进剂药条燃面附近耦合，以在燃面附近产生较大的压强振荡，作用于燃烧状态下的推进剂药条的燃烧火焰。
11.在扬声器收敛段出口，且位于靠近推进剂药条上端面处设置有采集装置，采集装置用于采集推进剂药条附近的压强振荡值。
12.进一步地，在扬声器壳体外一周罩设有一扬声器保护罩，扬声器保护罩与扬声器外壁间形成封闭腔室，用于防止扬声器产生的压强振荡耗散至大气环境。
13.进一步地，两个扬声器收敛段的管体的远端出口在同一轴线上，其中扬声器收敛段的外扩口端的截面积与扬声器的振膜的底面积相一致。
14.进一步地，两个扬声器收敛段的出口距离推进剂药条的距离相等，且扬声器收敛段的中轴线与推进剂药条的上表面齐平。
15.进一步地，该采集装置为动态压力传感器，动态压力传感器为两个，且均与数据采集系统相连接。
16.进一步地，在推进剂夹具下方设置有升降平台，升降平台用于带动推进剂夹具在竖直方向上上升或下降，以使压强振荡源产生的压强振荡作用在推进剂药条的不同位置。
17.进一步地，信号源包括相连接的信号发生器和功率放大器组成，其中，功率放大器还与扬声器相连接；信号发生器生成特定频率和幅值的电信号；功率放大器用于接收电信号，并将电信号的功率放大，传输至扬声器。
18.本发明还公开了上述的一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置的工作方式，该工作方式如下：
19.步骤1、将待测的推进剂药条夹持固定在推进剂夹具上，并将推进剂夹具固定在升降平台上，组成推进剂药条整体升降机构；
20.步骤2、将推进剂药条整体升降机构放置在两个压强振荡源之间，其中扬声器收敛段中轴线与推进剂药条的顶部齐平，且出口距离推进剂药条均为5cm；
21.步骤3、将动态压力传感器布置在推进剂药条距离2cm的对称位置，且位于扬声器收敛段出口附近；
22.步骤4、设置信号源，调节信号发生器输出设定频率和幅值的电信号，传输至功率放大器，然后传输至压强振荡源中的扬声器；两个扬声器的振膜以与信号源的输入频率一致的频率进行周期性振荡，产生周期性压强振荡，并传输至扬声器收敛段；扬声器收敛段用于将扬声器产生的周期性压强振荡汇聚至远端出口，在推进剂药条上端面附近耦合，以在上端面附近产生较大的压强振荡；
23.步骤5、打开数据采集系统，记录推进剂药条附近的压强振荡数据；
24.步骤6、待推进剂药条附近的压强振荡数据不发生变化时，点燃推进剂药条，并持续测量推进剂药条附近的压强数据；
25.步骤7、导出整个燃烧过程中数据采集系统得到的动态压力传感器的压强数据，计算推进剂药条附近的压强振荡幅值、频率和相位信息。
26.本发明还公开了一种固体推进剂压强耦合响应函数的计算方法，采用上述的一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置，且在推进剂药条的前或
后设置有高速相机，该计算方法如下：
27.步骤a、利用高速相机记录推进剂药条在压力振荡下燃烧一段时间内的图像，选取时刻t0和t0 δt，得到两个不同时刻的燃面，在燃面上等距选取多个采样点；然后分别计算两个不同时刻下各个采样点对应的垂直位移δx
i
(i＝1,2,...,10)
28.δx
i
＝n
i
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
29.其中：n
i
为两个不同时刻下对应采样点的垂直位移像素点数量；
30.α高速相机实际的单个像素像元尺寸，
31.则推进剂药条的燃速的计算公式为：
[0032][0033]
以δt为时间间隔选取多个时刻的推进剂药条燃烧图像，计算不同时刻的燃速，得到一段时间内推进剂的振荡燃速变化，得出推进剂药条振荡燃速的扰动量和平均量
[0034]
步骤b、选取时刻t0和t0 δt时间内动态压力传感器中的压强振荡值，计算质量流率率
[0035][0036]
其中：ρ为推进剂密度，r为推进剂燃速，a为推进剂燃面面积；
[0037]
为质量流量平均量；为质量流量扰动量；
[0038]
将推进剂密度和推进剂燃速分别表示为平均量和扰动量相加的形式，即得：
[0039][0040]
忽略二阶小量ρ
′
r
′
后，可以得到
[0041][0042]
则：
[0043]
其中：γ为一修正系数；
[0044]
得到压强耦合响应函数为：
[0045]
本发明的有益效果是：1.采用扬声器作为产生压强振荡的振荡源，用于在推进剂药条附近产生能够长时间稳定、幅值较大的压强振荡，可较好地模拟实际发动机发生燃烧不稳定时的压强振荡环境，研究压强振荡下推进剂药条燃烧过程，并计算得到推进剂的压强耦合响应函数。同时，具有成本低、操作简单等优点。2.利用本发明中的推进剂药条整体升降机构可以灵活调节压强振荡作用于推进剂燃烧火焰的垂直位置，如火焰顶部、中部和根部，且可以灵活调整压强振荡源收敛段出口与推进剂药条的水平距离，以及推进剂药条在竖直方向上的位置，从而研究不同的压强振荡作用位置对推进剂药条燃烧的影响。3.利用扬声器产生的压强振荡幅值可以连续调节，便于研究不同频率压强振荡下固体推进剂的频率响应特性。
附图说明
[0046]
图1为一种测量固体推进剂频响函数的直吹式变频率振荡实验装置的结构示意图。
[0047]
图2为实验测得的压强振荡下一段时间内双组元推进剂药条燃烧火焰的波动图。
[0048]
图3为不同功率放大器幅值下双组元推进剂药条燃烧火焰的摆动图。
[0049]
图4为扬声器收敛段内腔构型示意图。
[0050]
图5为推进剂药条燃速计算示意图。
[0051]
其中：1.扬声器保护罩；2.扬声器收敛段；3.扬声器；4.推进剂药条；5.推进剂夹具；6.升降平台；7.功率放大器；8.信号发生器；9.压强振荡源；10.信号源；11.动态压力传感器；12.数据采集系统。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0053]
本发明一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置，如图1所示，包括压强振荡源9、推进剂夹具5和信号源10；压强振荡源9为两个，左右对称设置，各压强振荡源9均包括相连接的扬声器3和扬声器收敛段2。
[0054]
上述两个扬声器3均成水平状，左右对称设置，且喇叭口相对设置；在各扬声器3的喇叭口端沿轴向与扬声器收敛段2可拆卸连接、且相连通；如图4所示，扬声器收敛段2为两端敞口的壳体状，由扬声器3连接端到远端由依次相连接的第一收敛段2
‑
3、等直过渡段2
‑
2和第二收敛段2
‑
1组成，第一收敛段2
‑
3的内腔为钟型结构，其内腔纵向剖面由两个相切的圆弧构成，且其与扬声器3的连接端为外扩状；采用钟型结构，扬声器5产生的压强振荡在扬声器收敛段2内反射损失最小。
[0055]
该第二收敛段2
‑
1由与等直过渡段2
‑
2的连接端到远端由大直径到小直径逐渐过渡，且在第二收敛段2
‑
1远端出口，其内腔收缩为扁平的矩形，以与推进剂药条4的形状相一致。设置第二收敛段2
‑
1的目的是进一步将扬声器5产生的压强振荡进行汇聚，并将横截面为圆形的收敛段内腔过渡至与推进剂药条尺寸相似的横截面为矩形的收敛段出口。等直过渡段2
‑
2的作用是第一收敛段2
‑
3和第二收敛段2
‑
1间的过渡更加平滑，减少反射损失。该段长度较短，以减少压强振荡传递过程中的损耗。扬声器收敛段2的结构设计，使扬声器3所产生的压强振荡能够最大限度作用于推进剂药条上，从而更加有利于研究大幅值压强振荡下推进剂药条的燃烧特性。
[0056]
工作过程中，两个扬声器3间存在相位差。优选的两个扬声器3间的相位差为180
°
，一端的扬声器3在同一位置产生最大幅值的时候，另一端的扬声器3反向，在同一位置也能够产生最大幅值，此时两个扬声器3振荡幅值叠加最大。
[0057]
在扬声器5外罩设有一扬声器保护罩1，扬声器保护罩1与扬声器5外壁间形成封闭腔室，用于防止压强振荡耗散至大气环境。
[0058]
两个扬声器收敛段2的管体的远端出口在同一轴线上，其中扬声器收敛段2的外扩端的截面积与扬声器3的振膜的截面积相一致。可改变扬声器收敛段2出口的横截面的形状，用于研究不同出口形状对压强振荡的影响。扬声器3和扬声器收敛段2安装固定于竖直架上，通过调整竖直架的位置，可调整扬声器收敛段2出口与推进剂药条4的水平距离。
[0059]
该扬声器3用于接收信号源10输入的电信号，扬声器3的振膜以与信号源10的输入频率一致的频率进行周期性振荡，产生周期性压强振荡，并传输；扬声器收敛段2用于将扬声器3产生的周期性压强振荡汇聚至远端出口，在推进剂药条4燃面附近耦合，以在燃面附近产生较大的压强振荡，作用于燃烧状态下的推进剂药条4的燃烧火焰。
[0060]
在扬声器收敛段2出口，且位于靠近推进剂药条4上端面处设置有采集装置，采集装置用于采集推进剂药条4附近的压强振荡值。
[0061]
推进剂夹具5，设置于两个扬声器收敛段2出口间的下方，用于夹持竖直向的推进剂药条4，并带动推进剂药条4在两个压强振荡源9间的竖直方向上升或下降；推进剂夹具5可选择的种类较多，如上端敞口的柱状壳体。在推进剂夹具5下方设置有升降平台6，升降平台6用于带动推进剂夹具5在竖直方向上上升或下降。
[0062]
该装置采用信号源10提供电信号，信号源10与两个扬声器3分别连接形成回路，用于将给定频率和幅值的电信号传输至扬声器3。具体地，信号源10包括相连接的信号发生器8和功率放大器7组成，其中，功率放大器7还与扬声器3相连接；信号发生器8生成特定频率和幅值的电信号；功率放大器7用于接收电信号，并将电信号的功率放大，传输至扬声器3。
[0063]
在靠近两个扬声器收敛段2的出口均设置有动态压力传感器11，各动态压力传感器11均与数据采集系统12相连接，动态压力传感器11用于测量采集推进剂药条4附近的压强振荡值。动态压力传感器11为两个，左右扬声器收敛段2的出口处均各设置有一个。
[0064]
两个扬声器收敛段2的出口距离推进剂药条4的距离相等，如均为5cm，即以推进剂药条4为中心对称分布。这一距离也可以按照实验需求进行调整，距离扬声器收敛段2出口越近，压强振荡幅值越大，且扬声器收敛段2的中轴线与推进剂药条4的上表面齐平。以保证压强振荡作用于燃烧火焰。
[0065]
本发明还公开了上述的一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置的工作方式，该工作方式如下：
[0066]
步骤1、将待测的推进剂药条4夹持固定在推进剂夹具5上，并将推进剂夹具5固定在升降平台6上，组成推进剂药条整体升降机构。
[0067]
步骤2、将推进剂药条整体升降机构放置在两个压强振荡源9之间，其中扬声器收敛段2中轴线与推进剂药条4的顶部齐平，且出口距离推进剂药条均为5cm；且在所述推进剂药条(4)的前或后设置有高速相机。
[0068]
步骤3、将动态压力传感器11布置在推进剂药条4距离2cm的对称位置，且位于扬声器收敛段2出口附近。
[0069]
步骤4、设置信号源10，调节信号发生器8输出设定频率和幅值的电信号，传输至功率放大器7，然后传输至压强振荡源9中的扬声器3；两个扬声器3的振膜以与信号源10的输入频率一致的频率进行周期性振荡，产生周期性压强振荡，并传输至扬声器收敛段2；扬声器收敛段2用于将扬声器3产生的周期性压强振荡汇聚至远端出口，在推进剂药条4上端面附近耦合，以在上端面附近产生较大的压强振荡。
[0070]
信号发生器8输出的电信号按照实验的具体需求，有多重形式，其主要形式为：
[0071]
一、不同波形的信号，如正弦波、锯齿波、方波等，以研究不同波形的压强振荡对推进剂药条燃烧的影响；
[0072]
二、不同频率的信号，包括：
[0073]
2.1研究单一频率下压强振荡对推进剂药条燃烧的影响时，将信号发生器8的输出频率设置为需要的单一频率即可；
[0074]
2.2当推进剂的燃烧响应函数峰值对应的频率未知时，需要将信号发生器8设置为一段频率范围内的扫频，以确定燃烧响应函数的峰值频率：该扫频方案的示意图如图2所示，设置一个扫频的初始频率f，并逐步增大输入频率至2f、3f等，即初始频率对应的倍频。每个扫描频率对应的扫描时间设置为对应扫描周期的10倍，即，以保证获取对应频率下足够准确的推进剂药条燃速波动数据。扫频的总时间为推进剂燃烧的时间以及高速相机记录系统的记录时间中的最小值。例如，当初始扫描频率设置为50hz时，倍频分别为100hz、150hz
…
，对应的扫描时间分别为0.2s,0.1s,1/15s
…
。计算不同频率下推进剂的压强耦合响应函数，在较大压强耦合响应函数的频率附近，可减小扫频的范围，重复上述过程，进一步通过扫频确定耦合响应函数最大时对应的频率。
[0075]
2.3当已知推进剂燃烧响应函数峰值对应的频率时，如果需要研究峰值频率对推进剂药条燃烧的影响，采用2.1中的方法；如果需要研究峰值频率以及其倍频下推进剂药条的振荡燃烧，则采用与2.2中类似的扫频策略，此时，将初始频率f设置为推进剂燃烧响应函数峰值对应的频率。
[0076]
步骤5、打开数据采集系统(12)和高速相机，记录推进剂药条(4)附近的压强振荡数据和燃面退移图像数据；
[0077]
步骤6、待推进剂药条(4)附近的压强振荡数据峰值不发生变化时，点燃推进剂药条(4)，并持续测量推进剂药条(6)附近的压强数据和燃面退移图像数据。
[0078]
对高速相机记录系统的相关参数有如下要求：
[0079]
一、分辨率：高速相机的分辨率应足够高，以提供足够的视野，即拍摄足够范围的推进剂燃面。一般典型的相机分辨率为1024像素
×
1024像素或是2048像素
×
2048像素。
[0080]
二、像元尺寸：即相机感光元件单个像素的尺寸大小。感光元件面积相同时，像元尺寸越小，则像素数量越多，分辨率越高。典型的高速相机像元尺寸为10μm。
[0081]
三、采样率：单位时间内高速相机记录的图片数量。按照nyquist采样定理，采样频率需要大于信号最高频率的2倍以上。因此，需要将高速相机的采样率设置为最高振荡频率的10倍以上，以获取足够精度的振荡燃速结果。例如，当扬声器3的最高振荡频率为500hz时，高速相机的采样率应设置为5000hz以上；
[0082]
四、采样时间：取决于高速相机本身的存储模块内存大小以及采样率。高速相机记录系统记录的图像直接保存在高速相机内部的存储模块，然后再导出到其他存储媒介中。存储模块内存大小相同的情况下，采样率越高，采样时间越短。高速相机的典型采样时间约为5～20s；
[0083]
五、放大倍数：高速相机外接镜头后，会将被摄物即推进剂药条4放大，此时高速相机记录的单位面积像素尺寸为实际像元尺寸。则相机成像系统的放大倍数＝相机像元尺寸/实际像元尺寸。需要选取合适的放大倍数以满足实验的测量需求。放大倍数的选取方法如下：
[0084]
对于典型的三组元复合推进剂(ap/htpb/al)，其常压下的燃速r≈5
‑
20mm/s。按照前述的信号发生器8输出频率，为了准确获取一个振荡周期内燃速的变化情况，在每个周期需要选取n个计数点用于计算燃速(n≥5)。设信号发生器8的最大输出频率为fm，对应最小
压强振荡周期为1/fm，则最小取样的时间间隔
△
t＝1/nfm，即每隔
△
t选取一张高速相机记录的图像用于计算燃速。实际高速相机记录系统记录的典型燃面图像如图3所示，其中网格代表像素点，填充区域为实际燃面。可以看到，对于每一列像素，实际燃面可能占据了一个像素点(如第1列)、两个像素点(如第3列)或是更多像素点。同时，还应该考虑到实际燃面并非完全平面退移，垂直于相机视场方向，即相机焦平面前后的燃面也会影响实际燃面的选取。因此，在确定燃面位置时会存在一定误差。这里定义选取燃面时的误差为视觉燃面的正负两个像素。例如，对于第1列，其视觉燃面位置在第0行，选取的误差为 1、 2、
‑
1、
‑
2行。
[0085]
在取样时间间隔
△
t内，如果高速相机记录系统得到的两个时刻同一列燃面图像距离过近，将导致燃速计算的误差较大，甚至可能计算得到的燃速为0。这是由于实际像元尺寸过大，导致在取样时间间隔
△
t内，同一列燃面移动距离过小。因此，取样时间间隔
△
t内，两个燃面之间存在一个最小距离，考虑到燃面选取时的误差，能够辨识两个燃面的最小距离定义为4个像素，即
△
x＝4xp，其中xp为实际单位像素像元尺寸。只有大于这一最小距离，才能够计算得到较为准确的推进剂燃速，这要求
△
x/
△
t≤r，求解得到xp≤r/(4nfm)。因此，实际放大倍数最终表示为m＝xreal/xp≥(4nfmxreal)/r，其中xreal为相机像元尺寸。选取典型值：相机像元尺寸xreal＝10μm，燃速r＝10mm/s，计数点数量n＝10，最大扬声器压强振荡频率fm＝100hz，计算得到的实际像元尺寸xp＝2.5μm，放大倍数m＝4倍。对于分辨率为2048像素
×
2048像素的高速相机记录系统，该记录可以记录的推进剂药条长度为2048
×
xp＝5.12mm。以平均燃速10mm/s计算，推进剂药条燃烧5.12mm需要的时间为0.512s，则高速相机记录系统的采样时间应大于这一值(且考虑到高速相机记录系统需要在推进剂药条点燃前开始记录，因此需要根据实际情况设置更大的采样时间)，而信号发生器输出的总时间应小于这一值，以最大限度记录推进剂药条的燃烧情况。典型情况下，根据实际需求，选取的高速相机放大倍数为5
‑
10倍。
[0086]
步骤7、导出整个燃烧过程中数据采集系统12得到的动态压力传感器11的压强数据，利用origin等后处理软件计算推进剂药条4附近的压强振荡幅值、频率和相位信息。导出高速相机采集得到的一段时间内推进剂燃面退移的数据，计算推进剂的燃速变化。
[0087]
为了验证本发明中的测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的压强振荡实验装置的实际效果，开展推进剂药条振荡燃烧研究的可行性，采用本发明中测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变压强振荡实验装置，测量了振荡条件下一段时间内推进剂药条的燃烧火焰波动情况，具体如下：
[0088]
选取双组元推进剂药条进行实验，采用的推进剂药条4为细长条型，尺寸为5mm
×
5mm
×
20mm；动态压力传感器11与推进剂的药条4距离均为2cm；压力振荡源9中扬声器收敛段2出口距离推进剂药条5cm。
[0089]
采用本发明中的一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置及工作方式，其中参数设定为：左右两端的扬声器收敛段2出口距离推进剂药条4的水平距离均为5cm，且推进剂药条4的顶端与扬声器收敛段2的中轴线齐平；选取的扬声器5的振荡频率为100hz，功率放大器7的幅值设置为20，总幅值为60。高速相机设置于推进剂药条4的前或后侧面，按照本发明中的工作方式完成实验，采用高速相机拍摄振荡条件下一段时间内双组元推进剂燃烧火焰波动情况，如图2所示，(a)
‑
(f)为高速相机记录的一段时间内的双组元推进剂燃烧火焰，其中采样的时间间隔
△
t＝1/400s。可以看到，在压强振荡下，
火焰呈现周期性摆动。通过提取该段时间内高速相机采集图像中火焰灰度值的变化，并针对灰度值进行fft分析，计算得到火焰周期性摆动频率为100.2hz，与扬声器产生的压强振荡频率保持一致，说明扬声器产生的压强振荡使得火焰发生受迫振荡现象，即火焰以与扬声器3输入频率一致的频率进行周期性摆动。因此，可以通过调整扬声器3的振荡频率，改变推进剂药条4燃烧火焰的摆动频率，从而研究不同压强振荡频率下的推进剂的燃烧特性。
[0090]
同时，在实验中，还考虑了不同功率放大器幅值对振荡燃烧下双组元推进剂火焰波动的影响。采用的功率放大器7的幅值分别为0，14，30和46；在不同功率放大器幅值情况下双组元推进剂燃烧的典型结果如图3所示。由图3可知，随着功率放大器幅值的提高，双组元推进剂火焰的摆动逐渐加剧，火焰高度降低，火焰摆动角度增大。实验表明，当功率放大器幅值达到55以上时，双组元推进剂火焰将被吹熄。因此，需要控制功率放大器7的幅值小于50，以得到有效的推进剂振荡燃烧火焰摆动过程，防止火焰由于压强振荡幅值过大被吹熄而不能得到相关数据。目前，已有的功率放大器7的输入功率已经满足研究不同幅值和压强振荡频率下固体推进剂的燃烧特性。
[0091]
通过上述实验证实，本发明中的一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置能够用于开展压强振荡下的固体推进剂火焰波动情况研究，并且可以通过进一步的数据处理分析，得到固体推进剂的压强耦合响应函数。具体如下：
[0092]
步骤a、利用动态压力传感器11测量得到的压强振荡数据提取压强振荡的扰动量和平均量；
[0093]
步骤b、利用高速相机记录一段时间内的推进剂药条4燃烧的图像。
[0094]
步骤c、利用分辨率测试靶确定相机实际单个像元尺寸。
[0095]
步骤d、选取时间间隔为1/10f，在推进剂药条4初始燃面计算一定数量的采样点在各个时间间隔内的垂直位移量；其中：f为压强振荡的频率(即每个振荡周期内取10个采样点
[0096]
步骤e、利用垂直位移量除以时间间隔，计算各个时间间隔内的燃速，得到一段时间内的燃速变化，提取出燃速的扰动量和平均量。
[0097]
步骤f、利用公式计算压强耦合响应函数值。
[0098]
上述推进剂燃烧响应是指燃面在受到压强振荡的作用时，推进剂燃速受到周期性变化的声压和声振速度的影响而产生的周期性变化。压强响应即燃速对声压的响应，响应函数一般可以定义为：
[0099][0100]
公式(a)代表了推进剂质量流率的相对扰动量和压强振荡p
′
的相对扰动量的比值。
[0101]
为了研究发动机中出现的燃烧不稳定，需要对推进剂在振荡环境下的相关燃烧特性进行研究。在这一过程中，关键的步骤是压强耦合响应函数的获取。
[0102]
公式(a)中的压强振荡扰动量p
′
以及平均量可以直接从动态压力传感器测量得到的压强振荡数据提取得到。
[0103]
在本发明中，一种固体推进剂压强耦合响应函数的计算方法，采用上述的一种测量固体推进剂频响函数的直吹式频率连续可变的振荡实验装置，且在所述推进剂药条4的前或后设置有高速相机，该计算方法如下：
[0104]
步骤a、利用高速相机记录推进剂药条4在压力振荡下燃烧一段时间内的图像，如图5所示，其中高速相机采样率要求≥10倍最大压强振荡频率，以获取足够精度的燃速数据。假设推进剂药条燃烧时为平面退移，选取时刻t0和t0 δt，得到两个不同时刻的燃面，在燃面上等距选取多个采样点(这里以10个为例)，确保燃速计算结果更加准确。利用分辨率测试靶确定相机实际的单个像素像元尺寸α(毫米/像素)，然后分别计算两个不同时刻下各个采样点对应的垂直位移δx
i
(i＝1,2,...,10)，
[0105]
δx
i
＝n
i
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0106]
其中：n
i
为两个不同时刻下对应采样点的垂直位移像素点数量；
[0107]
α高速相机实际的单个像素像元尺寸，
[0108]
则推进剂药条4的燃速的计算公式为：
[0109][0110]
以δt为时间间隔选取多个时刻的推进剂药条4燃烧图像，计算不同时刻的燃速，得到一段时间内推进剂的振荡燃速变化，得出推进剂药条4振荡燃速的扰动量和平均量平均量指的是振荡的最大幅值和最小幅值之和的平均值，扰动量是最大幅值或最小幅值与平均量差值的绝对值。
[0111]
步骤b、选取时刻t0和t0 δt时间内动态压力传感器11中的压强振荡值，计算质量流率流率
[0112][0113]
其中：ρ为推进剂密度，r为推进剂燃速，a为推进剂燃面面积；
[0114]
为质量流量平均量；为质量流量扰动量；
[0115]
将推进剂密度和推进剂燃速分别表示为平均量和扰动量相加的形式，即得：
[0116][0117]
忽略二阶小量ρ
′
r
′
后，可以得到
[0118][0119]
则：
[0120]
其中：γ为一修正系数，即不考虑密度变化以及不考虑燃面变化a
′
时引起的误差，其取值范围在0.8～1.2之间。对于ap含量80％的双组元推进剂，γ＝1.08。因此，只需要再计算得到燃速相对变化量再乘以响应函数的修正系数γ，即可得到相应的燃烧响应函数值。
[0121]
得到压强耦合响应函数为：
[0122]
通过改变压强振荡频率，可以测量得到不同压强振荡频率下的压强耦合响应函数，从而得到压强耦合响应函数和频率之间的关系最终对固体推进剂的燃烧不稳定进行预示。
[0123]
采用本发明中的实验装置的构造，可提供长时间稳定、频率可控的压强振荡环境。本发明中所采用的产生压强振荡的方法，通过信号发生器8产生指定波形的输入信号，并利用功率放大器7将功率放大，最终信号输入至扬声器3，使扬声器3的振膜发生振荡，从而在扬声器收敛段2出口产生一定幅值的压强振荡。经过实验验证，其振荡幅值已经能够满足研究固体推进剂振荡燃烧火焰波动的要求。通过加入扬声器保护罩1和针对扬声器收敛段2内腔的构型进行特别优化设计，使得扬声器3产生的压强振荡能够更好地输送至推进剂药条附近。扬声器收敛段2出口相对于推进剂药条4的垂直位置和水平距离均可调节，便于研究压强振荡位置对推进剂药条火焰波动的影响。另外，由扬声器3产生的压强振荡频率可以连续调节，便于研究不同振荡频率下固体推进剂的燃烧响应特性。