CN101319953A - 基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力测量法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力测量方法及传感器，其方法是脉冲爆震发动机燃烧时，爆震波中感应区存在大量自由电子和离子，采用离子探针，并在其两极施加一个稳定的偏置电压，在测量电路中形成持续的离子电流，电流衰减速度与爆震管内的压力存在线性关系，根据离子电流衰减速度获得爆震管内压力大小。传感器结构是阳极插入在高温陶瓷绝缘管中，然后一起插入在螺帽中，螺帽安装在爆震发动机管壁上，螺帽上是硅胶密封层，在阳极和螺帽间直接施加一个稳定电源。优点：耐高温，耐冲击，结构简单，安装维护方便，成本低廉，适用于脉冲爆震发动机高温环境下的压力测量。

Description

基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力测量法及传感器

技术领域

本发明设计的是一种用于脉冲爆震发动机高温环境下的压力测量方法及传感器，属于压力测量技术领域。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulsed Detonation Engine——简称PDE)是一种利用周期性间歇式或脉冲式爆震波发出的冲量产生推力的非稳态新型推力转置爆震波本质上由激波和燃烧波组成，激波对气体的压缩作用，使得脉冲爆震发动机中不需要传统发动机中的压气机等旋转部件，从而大大简化了发动机结构，减轻了重量，提高了推重比(＞20)。脉冲爆震发动机的燃烧过程近似为等容过程，热循环效率高，耗油率低。脉冲爆震发动机的工作范围广，可以在Ma＝0～10，飞行高度H＝0～50km的包线范围内工作。推力可以在5N～49kN的范围内调节。与常规冲压式发动机不同，脉冲爆震发动机可以在地面静止状态起动。脉冲爆震发动机可使用空气中的氧气作为氧化剂，也可自带氧化剂，因而可以分为吸气式脉冲爆震发动机(脉冲爆震发动机)和脉冲爆震火箭发动机(PDRE)。将两者结合可以实现空天往返飞行。脉冲爆震发动机为间歇式循环进气燃烧，燃烧室壁温不高，燃烧火焰以亚音速传播，其压力不高，所以可采用普通材料，制造成本较低。爆震燃烧速度快，效率高，燃烧产物在高温区停留的时间短，污染物少。基于脉冲爆震发动机的特点，它不仅可以作为独立的动力装置，同时还可以利用爆震燃烧构成外涵脉冲爆震发动机涡扇发动机、脉冲爆震发动机加力燃烧室，基于脉冲爆震发动机的混合循环和组合循环发动机，应用于无人机、靶机、战斗机、高超声速隐身侦察机、战略轰炸机、远程导弹、航天飞机等。脉冲爆震发动机已作为新概念发动机登上历史舞台，并已成为国际航空航天推进系统研究的热点

爆震发动机中的工况十分恶劣，瞬态的工作温度高达2800K，可燃的混合气体具有很强的腐蚀性，同时现有的爆震波频率能够达到一百赫兹，因此在爆震燃烧室周期的高温环境中需要耐高温、耐疲劳和耐腐蚀的压力传感器。已有的脉冲爆震发动机管内压力测量方法有两种。其一，采用高频响压力传感器进行测量。这种方法精度高，但是这种压阻式传感器在高达2800K的温度下工作，不仅需要用绝热材料来保护，还要用冷却液进行降温。一方面，绝热材料的将减弱压力值，降低传感器的灵敏度，而且由于材料特性和制造工艺等方面的原因使得测量值的修正较难。因而测得的压力只能作为定性的分析，而难以作为定量计算。另一方面，冷却过程中，高温环境下冷却液不断蒸发，需要不断补充。对于今后脉冲爆震发动机作为推进系统而言，这种方法是不切实际的。其二，采用双极式的离子探针进行测量。这种方法能够满足爆震波测量要求，但是探针两极细短，极间距离较近，在连续爆震情况下，两极容易受爆震波冲击而接触导通，或者由于长期工作而产生积碳导通。

发明内容

本发明的目的旨在利用爆震波的结构特点，提出一种测量脉冲爆震发动机高温环境下的压力测量方法、压力测量传感器，同时还提出了测量电路。该方法简单方便，传感器简单可靠，安装方便，测量电路简单易行，抗干扰能力强，压力测量可靠，精度高，设备成本低廉。

本发明的技术解决方案：基于离子电流的脉冲爆震发动机高温测量方法，其特征是在脉冲爆震发动机燃烧时，爆震波中感应区存在大量自由电子和离子，采用离子，并在其两极施加一个稳定的偏置电压，在测量电路中形成持续的离子电流，该离子电流衰减速度与爆震管内的压力存在线性关系，其具体关系是 $P=k\frac{\∂I}{\∂t}+C,$ 其中P是爆震管内压力，

是离子电流的衰减速度，k和C是系数。由此，根据离子电流衰减速度获得爆震管内压力大小。

基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力传感器，其结构是阳极插入在高温陶瓷绝缘管中，然后一起插入在螺帽之中。螺帽上是硅胶密封层，在阳极和螺帽间直接施加一个稳定电源，阳极与稳压电源的正极相接，螺帽通过电阻与稳压电源的负极相接。

所述的阳极是一根直径2.5mm的硬质合金丝，所述的支座为铁质六角螺母，既作为支座安装在脉冲爆震发动机管壁上，又作为传感器的阴极。

本发明的优点：采用单针型的离子探针作为脉冲爆震发动机的高温压力传感器，相较于传统的压电式压力传感器，耐高温，适合于脉冲爆震发动机连续爆震的高温下长时间工作，结构简单，造价低，工程应用性强；

采用单针型的离子探针作为脉冲爆震发动机的高温压力传感器，相较于双针式的离子探针压力传感器，耐冲击，无两极导通导致传感器失效的情况，积碳现象得到明显改善；采用单针型的离子探针作为脉冲爆震发动机的高温压力传感器，在外加电场的作用下可以捕获更多的自由电子和离子，获得的离子电流更为稳定有效。

附图说明：

附图1是基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力传感器(离子探针)的结构示意图；附图2是本发明实施的测量电路图。

具体实施方式

对照附图1，其结构是阳极4插入在高温陶瓷绝缘管3中，然后一起插入在螺帽2中，螺帽2上是硅胶密封层1，在阳极4和螺帽2间直接施加一个稳定的电压，提供稳定的电场。阳极与稳压电源的正极相接，螺帽2通过电阻R1与稳压电源的负极相接。当爆震波扫过离子探针阳极时，自由电子和离子分别向阳极4和螺帽2移动；阳极4是一根直径2.5mm的硬质合金丝，伸出高温陶瓷绝缘管3外3mm。螺帽2为铁质六角螺母，既作为支座安装在脉冲爆震发动机管壁上，又作为传感器的阴极。

对照附图2，其结构是稳压电源与电阻R1串接后与基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力传感器并接，其中电阻R1与高速电压采集系统并接。在爆震扫过脉冲爆震发动机高温压力传感器时能形成稳定的离子电流，利用一套高速电压采集系统(现有技术由美国NI公司生产)测量采集电阻R1两端电压，获得测量电路中离子电流的大小。

基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力测量方法，当脉冲爆震发动机燃烧时，爆震波中感应区存在大量自由电子和离子，采用离子探针，并在其两极施加一个稳定的偏置电压，在测量电路中形成持续的离子电流，电流衰减速度与爆震管内的压力存在线性关系，其具体关系是 $P=k\frac{\∂I}{\∂t}+C,$ 其中P是爆震管内压力，

是离子电流的衰减速度，k和C是系数，由此，根据离子电流衰减速度获得爆震管内压力大小。

爆震波结构可以用一维ZND模型表示，它由一道平面激波和紧随其后

的化学反应区，即燃烧波组成。当利用碳氢燃料与空气的混合物燃烧时，在燃烧区显现出强烈的离子化。由于脉冲爆震发动机每个工作循环中，燃烧反应时间较短，因此碳氢燃料和空气的反应中，离子的生成主要集中在感应区，生成离子的典型反应有

式中CH₃ ⁺的浓度远小于CHO⁺和H₃O⁺，可以忽略；产生CHO⁺的反应式(1)是放热的，反应中所释放的热量使得CHO⁺继续电离，产生H₃O⁺。大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子使燃气具有一定的电导性。在离子探针两极间施加一个直流偏置电压，形成一个电场，带电粒子在电场中发生定向迁移，正离子向阴极方向运动，电子和负离子向阳极方向运动。离子传感器正、负极两端间形成的持续离子电流。

在测量电路中，形成的电流，即离子传感器离子电流为

I＝en_eπR²v_d＝en_eπR²Eμ                               (4)

式中：e为单位电荷，n_e为相应于离子浓度的自由电子浓度，v_d为迁移速度，E为电场强度，μ为迁移速率，R为离子探针阳极直径。对式(4)求对时间的偏导数，可得离子电流的衰减速度

$\frac{\∂I}{\∂t}={\mathrm{Aev}}_d\frac{\∂n_e}{\∂t}---\left(5\right)$

形成离子电流的粒子迁移速度是指在电场方向测得的速度，存在大量碰撞时，带电粒子的平均迁移速度与电场强度有关，也与气体的浓度有关，而气体的浓度随管内压力的增大而增大(其它条件不变时)，因而带电粒子的迁移速度正比于电场强度E与压力P之比。

$v_d\∝\frac{E}{P}---\left(6\right)$

在火焰前锋期，爆震管内离子浓度变化的净速率为离子生产速率与离子结合速率之差。由于分子碰撞，高浓度离子会自然地向低浓度扩散衰减，其衰减关系满足沙哈方程。由式(3)可以看出，在离子结合反应过程中，分子个数变为衰减前的两倍。因而，离子浓度的衰减速度依赖于压力的平方。在脉冲爆震发动机中，如果测量中保持离子探针两极间电场强度恒定，即偏置电压恒定，则式(5)可写成：

$\frac{\∂I}{\∂t}\∝\left(\frac{1}{P}\right)\left(P^2\right)=P---\left(7\right)$

式(7)表明爆震管内压力与离子电流的衰减速度成正比，由此得到的离子电流与压力的关系模型

$P=k\frac{\∂I}{\∂t}+C---\left(8\right)$

其中，P是爆震管内压力，是离子电流的衰减速度，k和C是系数。因此，爆震管内压力测量可以转化为离子电流衰减速度的测量，这是脉冲爆震发动机高温环境下压力测量的一种新方法。

实施例：

为了获得k和C，以乙炔为燃料，空气为氧化剂，化学恰当比

偏置电压U＝10V，开展单爆震试验，选取16次试验中的50个数据点进行分析，

建立表1压力峰值与离子电流衰减速度之间的关系表。离子电流的衰减速度定义为离子电流峰值与离子电流衰减时间之比。限于篇幅，在此列出部分数据。

表1压力传感器测量值/离子电流峰值/离子电流衰减时间

采用上述50组数据，采用最小二乘算法对式(8)进行直线拟和，结果得到C＝3.005，k＝1.254，从而得到爆震管内压力和离子电流衰减速度的关系式

$P=1.254+\frac{\∂I}{\∂t}+3.005---\left(9\right)$

为了验证拟和关系式，随机选取16组试验中的另外9组数据，将带入式(9)中计算压力P，将计算结果与试验结果进行比较，如表2所示。

从表内数据可以看出，根据离子电流衰减速度，通过拟和公式计算的爆炸管内压力与压力传感器测量值基本一致，相对误差基本集中在1-3％。表2离子电流衰减速度/压力传感器测量值/拟和公式计算压力/相对误差

Claims (4)

1、基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力测量方法，其特征是：脉冲爆震发动机燃烧时，爆震波中感应区存在大量自由电子和离子，采用离子探针，并在其两极施加一个稳定的偏置电压，在测量电路中形成持续的离子电流，电流衰减速度与爆震管内的压力存在线性关系，其具体关系是 $P=k\frac{\∂I}{\∂t}+C,$ 其中P是爆震管内压力，

是离子电流的衰减速度，k和C是系数。由此，根据离子电流衰减速度获得爆震管内压力大小。

2、基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力传感器，其特征是阳极插入在高温陶瓷绝缘管中，然后一起插入螺帽，螺帽安装在脉冲爆震发动机管壁上，螺帽上是硅胶密封层，在阳极和螺帽间直接施加一个稳定电源，阳极与稳压电源的正极相接，螺帽通过电阻与稳压电源的负极相接。

3、根据权利要求2所述的基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力传感器，其特征是所述的阳极是一根直径2.5mm的硬质合金丝，伸出高温陶瓷绝缘管外3mm，螺帽为铁质六角螺母，既作为支座安装在脉冲爆震发动机管壁上，又作为传感器的阴极。

4、根据权利要求1所述的基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力测量方法，其特征所述的测量电路中的是稳压电源与电阻(R1)串接后与基于离子电流的脉冲爆震发动机高温压力传感器串联，其中电阻(R1)与高速电压采集系统并接。

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