CN103675084A - 一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统及方法，采用四极质谱仪作为测量发动机羽流组分的核心仪器，质谱仪通过引流管路连接到真空舱内；引流管路另一端安装羽流成分探针；羽流成分探针通过转接件安装在三维移动机构上；在三维移动机构的牵引下实现发动机羽流空间组分的测量。本发明中还对三维移动机构的驱动电机进行了控制改造与温控改造，能够使三维移动机构在真空低温环境下工作，还对各个线路的接线端进行了密封处理，有效防止巴森击穿效应；同时还对引流管路进行了温度控制。本发明的优点为：实现了真空、低温环境下的发动机羽流多组分空间分布一次性测量；经济简单、数据准确直观、数据后期处理方便。

Description

一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于测量真空低温环境下的火箭发动机羽流组分及其空间分布的测量系统及测量技术，属于真空羽流污染效应测量技术领域，具体是一种测量真空超低温环境下的火箭发动机羽流的成分，提供羽流组分的空间分布的测量装置及技术方案。

背景技术

真空羽流的不同组分在空间中的扩散性质不同，因此导致羽流的定向或者返流污染的成分也有所不同。火箭发动机羽流组分的分析对评估羽流污染的来源及污染成分有重要的意义，其直接影响航天器的使用寿命。目前的稀薄气体动力学中DSMC仿真算法中的多组分粒子的分子模型（例如HS、VHS模型）对多组分的模拟结果与实际情况相差较大，主要原因是相关参数的修正缺乏试验数据的支持。

然而目前国内还没有对真空低温环境下火箭发动机羽流的组分及空间分布测量的装置，也未发现国内有对真空羽流的组分测量的文章报道。但在电推进领域有人对电推进的沉积物进行分析，但是其沉积物是固体，采用开舱常温测量的手段，与气相污染相差甚远。国外在发动机及燃烧流动领域有PLIF测量燃气的成分的文章报道，但是PLIF在大型真空舱外对舱内成分测量有以下几个问题：

（1）PLIF试验装备体积庞大，价格昂贵，属于光学仪器范畴，因此在大型真空舱（Φ5m×12m）的观察窗外放置需架高2.5m的高度，光学稳定防振要求较高；

（2）PLIF的激光对观察窗玻璃要求苛刻，其波长为紫外光，并且对透光率要求较高，另外其激光要在舱内导光需要反射镜，目前国内还没有能在所述真空、低温环境下使用的镜片，国外获得途径比较困难；另外在发动机点火时很可能会污染镜片，导致镜片反射率下降，吸收能量增加，甚至被激光烧坏，因此镜片的防污染、防低温等防护措施的实施比较困难；

（3）PLIF的采集相机也是要求比较苛刻，限制在相应波段，价格昂贵；另外PLIF原理是激发不同组分基团发出荧光，测得的信号是图像信号，数据处理复杂，且需要独立标定。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统及方法，能够节省试验成本及数据处理难度；实现了超低温真空环境下的火箭发动机羽流多组分的空间分布测量。

本发明真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，包括真空舱与真空舱内部的火箭发动机，还包括三维移动机构、羽流引流管路、质谱仪、PC机以及由加热片、管路加热带、温控仪构成的温控系统。

所述三维移动机构设置于真空舱内部，且具有失电制动系统。三维移动机构中三个驱动电机由驱动电机控制器控制开关；失电制动系统由制动控制器控制开关；且三个驱动电机表面均安装有加热片。加热片通过加热片连接导线与真空舱外部设置的温控仪相接；通过温控仪控制加热片的加热温度。

所述羽流引流管路包括羽流测量探头、不锈钢引流硬管、舱内引流软管、手阀与舱外波纹管。其中，不锈钢引流硬管安装在三维移动机构上；不锈钢引流硬管一端安装有羽流测量探头，另一端与舱内引流软管一端相连；舱内引流软管另一端通过穿舱法兰与真空舱外部连通，并通过手阀与舱外波纹管一端相连，舱外波纹管另一端连接质谱仪。质谱仪与PC机通讯连接。

采用上述真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统的测量方法，通过下述步骤完成：

步骤1：进行测量前，预热质谱仪。

步骤2：打开手阀，启动真空舱的抽真空系统，进行抽真空；并控制加热片与管路加热带为三维移动机构中的三个驱动电机以及舱内引流管路进行温度控制。

步骤3：使真空舱内形成超低温环境。

步骤4：待真空舱内真空度达到试验所需真空度后，通过质谱仪测量真空舱内背景气体成分。

步骤5：控制三维移动机构将羽流测量探头定位于待测测点位置。

步骤6：火箭发动机点火，测量待测测点处的羽流空间组分。

步骤7：关闭火箭发动机，返回执行步骤4～6进行下一待测测点的羽流空间组分，直至全部待测测点测量完毕。

本发明的优点在于：

1、本发明羽流多组分空间分布测量系统及方法，实现了真空、低温环境下的发动机羽流的羽流多组分空间分布的一次性测量；

2、本发明羽流多组分空间分布测量系统及方法，相对于其他非接触测量方法有试验相对经济、简单的优点；

3、本发明羽流多组分空间分布测量系统及方法，实现了实时测量，数据准确直观后期数据处理方便等优点。

附图说明

图1为本发明羽流多组分空间分布测量系统示意图；

图2为本发明羽流多组分空间分布测量系统中三维移动机构温控及密封改造示意图；

图3为本发明羽流多组分空间分布测量系统中羽流引流管路结构示意图；

图4为本发明羽流多组分空间分布测量方法流程图。

图中：

1-真空舱                 2-火箭发动机           3-三维移动机构

4-羽流引流管             5-质谱仪               6-PC机

7-加热片                 8-管路加热带           9-温控仪

10-密封硅胶              401-羽流测量探头       402-不锈钢引流硬管

403-舱内引流软管         404-手阀               405-舱外波纹管

406-球头管接嘴           407-球头接头A          408-球头接头B

409-穿舱法兰             410-舱内球头管接嘴     411-连接端

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步说明。

本发明一种适用于测量真空低温环境下的火箭发动机羽流多组分空间分布测量系统，包括真空舱1、火箭发动机2、三维移动机构3、羽流引流管路4、质谱仪5、PC机6以及由加热片7、管路加热带8、温控仪9构成的温控系统，如图1所示。

其中，火箭发动机2位于Φ5m×12m的真空舱1内，通过真空舱1为火箭发动机2提供真空低温环境，真空度最高可达10^-6pa。本发明中真空舱1具有由液氮热沉与液氦热沉构成的热沉系统，通过热沉系统使真空舱1内部形成低温环境，温度最低可达5K（-268℃）。

所述三维移动机构3设置于真空舱内部，是一种实现在空间x、y、z三轴上移动的运动平台，包括x、y、z三个移动自由度，分别由三个驱动电机控制；且具有失电制动（抱死）系统，控制三个驱动电机的制动，实现三维移动机构3在空间x、y、z三轴上的位置保持。本发明中对三维移动机构3进行控制改造与温控改造：

控制改造具体方式为：为三个驱动电机添加驱动电机控制器控制开关；同时为失电制动系统添加制动控制器控制开关；且均由人工操作控制；由此实现三维移动驱动电机与失电制动（抱死）系统的控制分离，可人工关闭电机避免三维移动机构在真空放电压强范围内工作，同时也可人工打开失电制动系统保证三维移动机构的位置固定。

控温改造的具体方式为：如图2所示，三维移动机构中的三个驱动电机301表面均安装有加热片7；加热片7通过加热片连接导线与真空舱外部设置的温控仪9相接；通过温控仪9控制加热片7的加热温度，将三个驱动电机301工作时的温度控制在试验设定范围（20°左右）内；同时还通过隔热防辐射纸对加热片7进行包裹，由此减小对热沉系统的热辐射负荷。

通过上述对三维移动机构3的控制改造与温控改造，能够使三维移动机构3在真空低温环境下工作。

本发明在对三维移动机构3进行控温改造的同时还进行了全密封改造，从而防止巴森击穿效应，具体方式为：如图2所示，将加热片7的连接导线与加热片7间的接线端，以及驱动电机301内部可进行全密封处理通电线路的接线端通过密封硅胶10全密封处理；而三维移动驱动电机301内部无法进行全密封处理的通电线路的接线端，则需要通过对三维移动机构3制定操作步骤，避免巴森击穿效应。

所述羽流引流管路4包括羽流测量探头401、不锈钢引流硬管402、舱内引流软管403、手阀404与舱外波纹管405。其中，不锈钢引流硬管402为一端焊接有球头管接嘴406的不锈钢管，通过骑马卡（标准件）与三维移动机构3的运动平台上设置的转接件固定；不锈钢引流硬管402主要用来经受高温燃气，同时为舱内引流软管403与三维移动机构3的对接提供固定接口。羽流测量探头401采用紧配合插入不锈钢引流硬管402内进行固定，用来采集真空舱1内的羽流成分，同时羽流测量探头401采用2～6mm的较小口径，且采用锥形结构，可减小羽流测量探头401对羽流流场的影响。舱内引流软管403两端分别安装有球头接头A407与球头接头B408；球头接头A407与不锈钢引流硬管的球头管接嘴406配合连接；球头接头B408与安装在真空舱1壁面上的穿舱法兰409舱内球头管接嘴410配合连接。上述舱内引流软管403上缠绕有管路加热带8，管路加热带8通过管路加热带8连接导线与真空舱1外部的温控仪9相连，通过温控仪9控制管路加热带8的加热温度，将舱内引流软管403的温度控制在试验设定范围内（不同工质温度设定不同），防止舱内引流软管403产生低温脆断效应，同时防止了某些羽流组分在舱内引流软管403内凝结。上述管路加热带8外侧包裹隔热防辐射纸，实现舱内引流软管403的保温及减小液氮热沉与液氦热沉的热负荷。穿舱法兰舱外连接端411（KF25法兰）通过手阀404与舱外波纹管405一端相连，舱外波纹管405另一端连接质谱仪5。质谱仪5通过R232数据线与pc机6通讯连接，在pc机6上操控质谱仪的羽流组分测量及数据分析。

上述结构中，加热片7、管路加热带8等强电供电设备需与驱动电机301控制线路、测量信号线等弱点供电设备分离，单独穿舱。且通电线路（温控导线、电机电源线、测量信号线等）的接线端均与金属导电器件之间都要隔离密封，防止巴森击穿现象发生。若通电线路的中的两个接线端中的一个进行了隔离密封，那么接线端中没有隔离密封的接线端仍然会和金属器件之间产生击穿效应（只要距离比较近），也就是通电导线任意一处有导线裸露的地方都要注意密封；比如两相导线。

基于上述测量真空低温环境下的火箭发动机羽流组分及其空间分布的测量装置的测量方法，如图4所示，通过下述步骤完成：

步骤1：进行测量前开启质谱仪5，对质谱仪5进行烘烤8小时，其目的是预热质谱仪5，获得洁净的背景环境，防止杂质气体（主要是水和氢）的干扰。在质谱仪5开启时，质谱仪5的测量阀处于关闭状态，防止大气进入质谱仪5，烧断灯丝。

步骤2：打开手阀404，启动真空舱1的抽真空系统，当真空舱1内真空度到达10^-1pa时，开启温控仪9，控制加热片7与管路加热带8为三维移动机构3中的三个驱动电机301以及舱内引流管路4进行温度控制，防止低温环境下加热片7与管路加热带8电阻特性的变化，出现过流现象烧毁穿舱线路控。

步骤3：启动液氮热沉将真空舱1内温度降至80K，随后通过液氦热沉将真空舱1内温度进一步降至5～10K（理论上最低可降到4K），使真空舱1内形成超低温环境。此处，由于步骤2中已对三维移动机构3中的三个驱动电机进行了温度控制，防止了三个驱动电机301等经受超低温环境。

步骤4：待真空舱1内真空度达到试验所需真空度后，打开质谱仪5的测量阀，测量真空舱1内背景气体成分；

步骤5：通过电机控制器控制三维移动机构3中三个驱动电机301开启；同时通过制动控制器控制失电制动系统关闭；随后控制三个驱动电机301运动，使羽流测量探头401移动至待测测点位置后，开启失电制动系统将羽流测量探头401的位置进行固定，同时关闭三个驱动电机301；由此可保护三个驱动电机301内部无法进行全密封处理的通电线路，避免火箭发动机2点火后，使真空舱内部压强上升到巴森击穿压强范围内发生巴森击穿。

步骤6：火箭发动机2点火，测量待测测点处的羽流空间组分。

步骤7：关闭火箭发动机2，返回执行步骤4～6进行下一待测测点的羽流空间组分，直至全部待测测点测量完毕后，关闭真空舱1抽真空系统与温控系统以及三维移动机构3。

Claims (8)

1.一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，包括真空舱与真空舱内部的火箭发动机；其特征在于：还包括三维移动机构、羽流引流管路、质谱仪、PC机以及由加热片、管路加热带、温控仪构成的温控系统；

所述三维移动机构设置于真空舱内部，且具有失电制动系统；三维移动机构中三个驱动电机由驱动电机控制器控制开关；失电制动系统由制动控制器控制开关；且三个驱动电机表面均安装有加热片；加热片通过加热片连接导线与真空舱外部设置的温控仪相接；通过温控仪控制加热片的加热温度；

所述羽流引流管路包括羽流测量探头、不锈钢引流硬管、舱内引流软管、手阀与舱外波纹管；其中，不锈钢引流硬管安装在三维移动机构上；不锈钢引流硬管一端安装有羽流测量探头，另一端与舱内引流软管一端相连；舱内引流软管另一端通过穿舱法兰与真空舱外部连通，并通过手阀与舱外波纹管一端相连，舱外波纹管另一端连接质谱仪；质谱仪与PC机通讯连接。

2.如权利要求1所述一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，其特征在于：所述加热片通过隔热防辐射纸进行包裹。

3.如权利要求1所述一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，其特征在于：所述加热片的连接导线与加热片间的接线端，以及驱动电机内部的通电线路的接线端通过密封硅胶全密封处理。

4.如权利要求1所述一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，其特征在于：所述羽流测量探头采用2～6mm口径，且采用锥形结构。

5.如权利要求1所述一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，其特征在于：所述舱内引流软管上缠绕有管路加热带，管路加热带通过管路加热带连接导线与真空舱外部的温控仪相连。

6.如权利要求5所述一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，其特征在于：所述管路加热带外侧包裹隔热防辐射纸。

7.一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量方法，其特征在于：采用权利要求1中的真空低温环境下羽流多组分空间分布测量系统，通过下述步骤完成：

步骤1：进行测量前，预热质谱仪；

步骤2：打开手阀，启动真空舱的抽真空系统，进行抽真空；并控制加热片与管路加热带为三维移动机构中的三个驱动电机以及舱内引流管路进行温度控制；

步骤3：使真空舱内形成超低温环境；

步骤4：待真空舱内真空度达到试验所需真空度后，通过质谱仪测量真空舱内背景气体成分；

步骤5：控制三维移动机构将羽流测量探头定位于待测测点位置；

步骤6：火箭发动机点火，测量待测测点处的羽流空间组分；

步骤7：关闭火箭发动机，返回执行步骤4～6进行下一待测测点的羽流空间组分，直至全部待测测点测量完毕。

8.如权利要求7所述一种真空低温环境下羽流多组分空间分布测量方法，其特征在于：所述步骤5的操作过程为：

通过电机控制器控制三维移动机构中三个驱动电机开启；同时通过制动控制器控制失电制动系统关闭；随后控制三个驱动电机运动，使羽流测量探头移动至待测测点位置后，开启失电制动系统将羽流测量探头的位置进行固定，同时关闭三个驱动电机。

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