CN104314692B - 一种微波表面波点火助燃装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波表面波点火助燃装置，包括石英柱，金属启动器，支撑套筒和微波波导板；所述金属启动器包括六根沿所述金属启动器的周向均匀分布的金属长针一，所述金属长针一包括相互垂直的金属长针上段和金属长针下段，所述金属启动器还包括一位于所述金属启动器轴线上的金属长针二。本发明采用金属启动器与石英管内嵌的形式代替以往的多通道石英管分别通入工质载气的放电结构，使装置结构更简单；不需要携带额外的工质载气供应系统，降低了发动机自身质量和体积，提高了发动机安全系数；金属启动器的七爪结构增强了局域电场，扩大了燃气的电离范围，使燃烧过程更加充分，提高了点火助燃的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及航天器发动机技术领域，尤其涉及一种基于低温非平衡等离子体即微波表面波应用于超燃冲压发动机点火助燃的装置。
背景技术
高超声速飞行器技术已成为现今航空航天领域的新高峰，被称为继飞机诞生、声障飞行突破之后人类航空史上的第三次革命。高超声速飞行器技术的发展，将对国家的军事、经济以及科学等重大领域产生深远而重大的影响。
尽管超燃冲压发动机有许多优势，但由于其原理为在超声速来流条件下组织燃料的燃烧，因此在燃烧室中实现燃料的充分混合、点火以及稳定燃烧都十分困难。超燃冲压发动机利用进气道激波系压缩来流空气获得氧化剂，在燃烧室内的超声速气流中组织燃烧，因此其比冲远高于常规火箭发动机，是实现20～45km范围内、马赫6以上高超声速飞行的理想动力。
通常情况下，当超燃冲压发动机燃烧室内来流总焓较高(对应飞行马赫数不小于7)时，燃料可以发生自燃点火，而当来流总焓较低时，不能在燃烧室内实现自点火，需要外加点火源。
现有外加点火源采用火花塞电弧放电方式点燃燃气混合物，但存在明显的燃烧速度慢、温度高致使大量燃料燃烧不充分而能量流失的缺点，此外火花塞点火由于是局部微小区域的点火方式，在超燃冲压发动机燃烧室长度有限，气流速度高，燃料在燃烧室内的滞留时间很短的条件下实现可靠点火助燃难度很大。在需求不断深化和科学技术不断发展的双重作用下，如何使燃烧室燃烧效率和稳定性大幅提高，对点火助燃技术的改进提出了新的要求。
等离子体中含有丰富的活性粒子，如离子(O2-、OH-、H+)、原子团(H2、O2)、原子(C、H、O)和电子等，物理化学活性高，其高温热化学作用可有效促进生成低着火点的双组分燃料，进而提升燃料混合物反应程度，在点火和辅助燃烧中具有很高的应用价值。为了增强超燃冲压发动机中的超声速燃烧过程，可采用低温非平衡等离子体发生器作为点火助燃装置。微波为频率在300兆赫兹到300千兆赫兹的电波，具有对介质材料瞬时加热升温的特点。在快速变化的高频电磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化。造成分子的运动相互摩擦效应，此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升高，产生热化和膨化等一系列物化过程进而达到燃烧点，使燃料燃烧。微波放电等离子体作为一类低温等离子体，具有密度大、活性高及温度低等优良性能。通过微波电磁场作用下产生的高能电子使反应分子裂解、解离和电离，激发并生成活性原子、离子和自由基等活性粒子，为链式反应提供所需的活化中心，并裂解燃料大分子，从而缩短点火延迟时间，增强燃烧，因此微波放电点火助燃技术在超燃冲压发动机中的应用具有重要意义和前景，微波等离子体点火与助燃技术的发展也为该领域技术难题带来新的曙光。
发明内容
根据上述提出的现有外加点火助燃装置的燃烧速度慢、燃料燃烧不充分以及点火可靠性差等技术问题，而提供一种微波表面波点火助燃装置。
本发明采用的技术手段如下：
一种微波表面波点火助燃装置，包括石英柱，金属启动器，支撑套筒和微波波导板；
所述支撑套筒固定连接在所述微波波导板的上表面，所述微波波导板下为发动机燃烧室；
所述石英柱内嵌在所述支撑套筒内，所述石英柱穿过所述微波波导板；
所述金属启动器内嵌在所述石英柱内；
所述金属启动器包括六根沿所述金属启动器的周向均匀分布的金属长针一，六根所述金属长针一的上端相互固定连接并交于所述金属启动器的轴线，所述金属长针一包括相互垂直的金属长针上段和金属长针下段，所述金属长针上段垂直于所述金属启动器的轴线，所述金属长针下段平行于所述金属启动器的轴线，所述金属启动器还包括一位于所述金属启动器轴线上的金属长针二，所述金属长针二的上端与六根所述金属长针一的上端相互固定连接。
所述金属长针一的下端和所述金属长针二的下端均穿过所述微波波导板延伸至发动机燃烧室。
所述金属长针一的下端和所述金属长针二的下端均呈倒圆锥形，所述倒圆锥形的高度为2mm。
所述金属长针一的材料和所述金属长针二的材料均为钨，所述金属长针下段的长度和所述金属长针二的长度均为60mm。
本发明具有以下优点：
1.采用金属启动器与石英管内嵌的形式代替以往的多通道石英管分别通入工质载气的放电结构，使装置结构更简单。
2.本发明不需要携带额外的工质载气供应系统，降低了发动机自身质量和体积，提高了发动机安全系数。
3.金属启动器的七爪结构增强了局域电场，扩大了燃气的电离范围，使燃烧过程更加充分，提高了点火助燃的稳定性。
基于上述理由本发明可在航天器发动机等领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的具体实施方式中一种微波表面波点火助燃装置的结构示意图。
图2是本发明的具体实施方式中一种微波表面波点火助燃装置的仰视图。
图3是本发明的具体实施方式中金属启动器的结构示意图。
其中，1、石英柱，2、支撑套筒，3、微波波导板，4、金属长针一，5、金属长针二，401、金属长针上段，402、金属长针下段。
具体实施方式
如图1-图3所示，一种微波表面波点火助燃装置，其特征在于：包括石英柱1，金属启动器，支撑套筒2和微波波导板3；
所述支撑套筒2固定连接在所述微波波导板3的上表面，所述微波波导板3下为发动机燃烧室；
所述石英柱1内嵌在所述支撑套筒2内，所述石英柱1穿过所述微波波导板3；
所述金属启动器内嵌在所述石英柱1内；
所述金属启动器包括六根沿所述金属启动器的周向均匀分布的金属长针一4，六根所述金属长针一4的上端相互固定连接并交于所述金属启动器的轴线，所述金属长针一4包括相互垂直的金属长针上段401和金属长针下段402，所述金属长针上段401垂直于所述金属启动器的轴线，所述金属长针下段402平行于所述金属启动器的轴线，所述金属启动器还包括一位于所述金属启动器轴线上的金属长针二5，所述金属长针二5的上端与六根所述金属长针一4的上端相互固定连接，即相交于一点。
所述金属长针一4的下端和所述金属长针二5的下端均穿过所述微波波导板3延伸至发动机燃烧室。
所述金属长针一4的下端和所述金属长针二5的下端均呈倒圆锥形，所述倒圆锥形的高度为2mm。
所述金属长针一4的材料和所述金属长针二5的材料均为钨，所述金属长针下段401的长度和所述金属长针二5的长度均为60mm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种微波表面波点火助燃装置，其特征在于：包括石英柱，金属启动器，支撑套筒和微波波导板；
所述支撑套筒固定连接在所述微波波导板的上表面；
所述石英柱内嵌在所述支撑套筒内，所述石英柱穿过所述微波波导板；
所述金属启动器内嵌在所述石英柱内；
所述金属启动器包括六根沿所述金属启动器的周向均匀分布的金属长针一，六根所述金属长针一的上端相互固定连接并交于所述金属启动器的轴线，所述金属长针一包括相互垂直的金属长针上段和金属长针下段，所述金属长针上段垂直于所述金属启动器的轴线，所述金属长针下段平行于所述金属启动器的轴线，所述金属启动器还包括一位于所述金属启动器轴线上的金属长针二，所述金属长针二的上端与六根所述金属长针一的上端相互固定连接；
所述金属长针一的下端和所述金属长针二的下端均穿过所述微波波导板延伸至发动机燃烧室。
2.根据权利要求1所述的一种微波表面波点火助燃装置，其特征在于：所述金属长针一的下端和所述金属长针二的下端均呈倒圆锥形，所述倒圆锥形的高度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种微波表面波点火助燃装置，其特征在于：所述金属长针一的材料和所述金属长针二的材料均为钨，所述金属长针下段的长度和所述金属长针二的长度均为60mm。
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