CN104330519A - 一种粒子气流悬浮激光点火实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子气流悬浮激光点火实验装置，属于固体火箭发动机技术领域。实验装置通过微气流使粒子悬浮在燃烧器内空间，粒子不与金属壁板接触，利用高能激光点火器将粒子连续加热进行点火。气体环境可调，可充入单种气体或同时充入不同的多种气体，达到测试不同气体环境下粒子点火过程的目的。燃烧器上安装有四个透明窗，其中二个为观察窗,二个为锗玻璃窗；对工作过程通过二个观察窗进行观测和测试，激光点火器产生的激光通过二个锗玻璃窗射入燃烧器，调节激光点火器功率，将燃烧器内悬浮的粒子加热并点燃；利用高速摄影系统通过观察窗拍摄粒子点火燃烧的详细过程。实验装置可研究金属和非金属两种粒子的点火燃烧特性。

Description

一种粒子气流悬浮激光点火实验装置

技术领域

本发明属于固体火箭发动机技术领域，具体地说，涉及一种粒子气流悬浮激光点火实验装置。

背景技术

为了提高固体推进剂的能量，通常在固体推进剂中加入高燃烧热的硼、铝粒子，这些粒子不仅提高了推进剂密度和比冲，同时也显著影响着固体推进剂的点火、燃烧性能。目前研究粒子点火特性主要是采用电弧点火法、激波管法，热分析仪法和激光点火法。

电弧点火法是利用电磁场将金属粒子悬浮，然后施加高压电弧来点燃金属粒子。在专利CN86105020中公开了一种用于真空电弧等离子体发生系统的点火装置,包括一个长度为L的、其边缘与对阴极表面边缘并置间距为D的细长金属点火器元件,有桥接表面的绝缘元件被放置使桥接表面在点火器元件与阴极表面边缘间连接，在桥接表面上沉积一层导电薄膜，在点火器元件和阳极间设置一个简单的电连接,点火器元件为一辅助阴极。但该方法不适用于非金属粒子，并且是瞬间点火，无法清楚观察金属粒子点火的整个过程。

激波管法是将粒子置于激波管中，利用激波管产生的激波使粒子迅速升至高温点燃粒子。中国科学技术大学建立了一套激波管实验装置,在该平台上对甲烷,特别是低热值的超低浓度甲烷燃烧的基础性问题进行实验研究,并对激波管内的流场进行数值模拟，该激波管采用横截面积为130x80mm的冷拔矩形光管，内外管壁电镀处理，激波管上开有多个测试孔用于安装传感器。该方法最大优点在于点火气体环境可调，但同样属于瞬间点火，无法清楚观察金属粒子点火的整个过程的详细情况。

采用热分析仪研究粒子点火特性，粒子是在密闭燃烧器内加热，无法观测粒子点火瞬间粒子形态及点火火焰，也无法精确计算粒子点火燃烧时间。

激光点火是利用激光能量引燃或引爆含能材料，用于给在燃烧室内的燃料/空气混合物点火的方法。在专利CN101463790中描述了一种激光点火装置,包括至少两个激光产生装置和一个共同的输入光学件,该输入光学件用于将至少两个激光产生装置的激光输入到燃烧室内。其特点是设置的两个激光产生装置,使得由各激光产生装置在运行状态中发出的激光彼此平行地错开或者彼此成角度地入射到输入光学件上或由输入光学件射出。激光以其输出能量高且可调，点火时间和能量可控制，无干扰的特点,减少了点火过程的非均匀效应和热损失,且不受环境因素影响，如推进剂表面的气相组分、初始温度和压力诸多因素的限制。但该激光点火装置无法得到粒子在不同气体环境下的点火情况，并且同目前普遍的激光点火装置相同，粒子都是被置于燃烧室内，与燃烧室接触的情况下被点燃，而发动机工作过程中大多数粒子处于悬浮状态，该装置无法进行悬浮粒子点火实验。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种粒子气流悬浮激光点火实验装置；通过微气流使粒子悬浮在燃烧器内空间，粒子不与金属壁板接触，利用高能激光点火器将粒子加热点火；实验装置可充入单种气体或同时充入不同的多种气体，实现测试不同气体环境下粒子点火过程；同时，利用高速摄影系统通过观察窗拍摄粒子点火燃烧过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括卸气阀、燃烧器、观察窗、锗玻璃窗、微孔板、缓冲段、混合段、二次混合段、中间进气管、球形粒子、进气段、进气管，所述燃烧器位于缓冲段上方，燃烧器上端盖有卸气阀，侧壁周向有观察窗和锗玻璃窗，观察窗和锗玻璃窗两两相对安装，所述缓冲段位于燃烧器与二次混合段之间，燃烧器与缓冲段一端固连，燃烧器与缓冲段连接部位固定有微孔板，二次混合段与缓冲段的另一端固连，二次混合段与缓冲段连接部位固定有微孔板，燃烧器、缓冲段、二次混合段内径相同，所述二次混合段侧壁靠近底部有对称的进气孔，底部中间有台阶孔，二次混合段底部外侧壁有安装板与台架固连；所述进气段为一端封闭的圆筒形结构，侧壁周向有进气孔，进气孔两两相对，进气管与进气孔配合连接，进气段与混合段内径相同，混合段外径小于进气段外径，且与进气段开口端固连，进气段与混合段连接部位固定有微孔板，混合段内置若干球形粒子；所述混合段位于二次混合段的下方，混合段端部中间有台阶孔，混合段与二次混合段通过中间进气管相连通，所述中间进气管两端有外螺纹，中心轴向有通孔，通孔直径大于球形粒子直径，所述微孔板为圆盘形结构，依中心孔外延等间距设置若干等直径微小腔孔，中心孔径大于球形粒子直径；激光点火器位于燃烧器外侧与锗玻璃窗相对，激光点火器产生的激光通过锗玻璃窗射入燃烧器内，将悬浮的球形粒子加热并点燃；高速摄影系统位于燃烧器外侧与观察窗相对，高速摄影系统通过观察窗拍摄球形粒子点火燃烧过程。

所述进气段可充入单种气体或同时充入不同的多种气体。

所述观察窗材料为石英玻璃。

所述球形粒子材料为塑料。

有益效果

本发明提出的一种粒子气流悬浮激光点火实验装置，通过微气流使球形粒子悬浮在燃烧器内空间，球形粒子不与金属壁板接触，利用高能激光点火器将球形粒子连续加热进行点火，并能清楚地得到球形粒子点火的详细过程。气体环境可调，燃烧器内可充入单种气体或同时充入不同的多种气体，达到测试不同气体环境下球形粒子点火过程的目的。实验装置工作过程可视化，燃烧器侧壁上设置有四个透明窗，二个为观察窗，二个为锗玻璃窗；激光点火器产生的激光通过锗玻璃窗射入燃烧器，将燃烧器内悬浮的球形粒子加热并点燃。高速摄影系统通过观察窗拍摄粒子点火燃烧过程。采用本发明粒子气流悬浮激光点火实验装置可研究金属和非金属两种粒子的点火燃烧特性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种粒子气流悬浮激光点火实验装置作进一步详细说明。

图1为本发明粒子气流悬浮激光点火实验装置示意图。

图中:

1.卸气阀  2.燃烧器  3.观察窗  4.锗玻璃窗  5.微孔板  6.缓冲段7.二次混合段  8.中间进气管  9.混合段  10.球形粒子  11.进气段  12.进气管

具体实施方式

本实施例是一种粒子气流悬浮激光点火实验装置。

如图1所示，本实施例粒子气流悬浮激光点火实验装置，由卸气阀1、燃烧器2、观察窗3、锗玻璃窗4、微孔板5、缓冲段6、混合段9、二次混合段7、中间进气管8、球形粒子10、进气段11、进气管12组成；实验装置固定在工作台架上，激光点火器和高速摄影系统分别安装在实验装置的外侧，实验装置的下端为进气段11。进气段11为一端封闭的圆筒形结构，侧壁周向有进气孔，四个进气孔两两相对，分别位于同一轴线上；进气管12与进气孔配合连接，气体通过进气管12进入进气段11，进气段11内气体环境可调，可充入单种气体或同时充入不同的多种气体，达到测试不同气体环境下球形粒子点火过程。进气段11与混合段9内径相同，混合段9外径小于进气段11外径，且与进气段11开口端通过螺纹固定连接，进气段11与混合段9连接部位固定有微孔板5，混合段9内放置若干球形粒子10，气体进入混合段9时经过球形粒子充分混合。混合段9安装在二次混合段7的下方，混合段9端部中间有台阶孔，混合段9和二次混合段7与中间进气管8通过螺纹配合连接。中间进气管8两端有外螺纹，中心轴向有通孔,通孔直径略大于球形粒子10直径。

燃烧器2安装在缓冲段6的上方，燃烧器2与上端盖通过螺纹连接，燃烧器2的上端盖装有卸气阀1，侧壁周向有观察窗3和锗玻璃窗4，观察窗3和锗玻璃窗4两两相对通过螺栓安装；观察窗3材料采用石英玻璃。缓冲段6固定在燃烧器2与二次混合段7之间，燃烧器2与缓冲段6一端固连，燃烧器2与缓冲段6连接部位固定有微孔板5；二次混合段7与缓冲段6的另一端固连，二次混合段与缓冲段连接部位固定有微孔板；燃烧器2、缓冲段6、二次混合段7内径相同。气体在二次混合段内继续充分混合。微孔板5为圆盘形结构，依中心孔外延等间距设置有若干等直径微小腔孔，中心孔径大于球形粒子10直径。二次混合段7侧壁底部有两个安装板与工作台架固定连接。激光点火器产生的激光通过锗玻璃窗4射入燃烧器，将燃烧器内悬浮的球形粒子10加热并点燃。高速摄影系统通过观察窗3拍摄粒子点火燃烧过程。在工作结束后,通过卸气阀迅速卸掉燃烧器内的气体。

粒子气流悬浮激光点火实验装置工作过程:

首先将微量球形粒子10放置在微孔板5上。球形粒子10需平铺薄薄一层。进气段11内可同时充入四种气体，经有若干球形粒子10的混合段9进行充分混合，再通过微孔板5形成微气流。充入的气体从进气管12通入进气段11,气体在混合段9内混合，气体经过二次混合段7再次混合。通过调节微流量调节阀控制流入的气体质量流率，将平铺在微孔板5上的球形粒子10悬浮。通过微流量调节阀调节微气流的质量流率，利用微气流的浮力实现球形粒子10的悬浮。激光点火器产生的激光通过锗玻璃窗4射入燃烧器2，将燃烧器2内悬浮的球形粒子10加热，调节激光点火器功率，将球形粒子10点燃。打开高速摄影系统，通过观察窗3拍摄球形粒子点火燃烧过程。实验装置通过充入单种气体或同时充入不同的多种气体，可观察和测试球形粒子10在不同气体环境下的点火实验过程。

实施例

本实施例采用粒子气流悬浮激光点火实验装置对硼粒子进行点火燃烧过程实验，为含硼固冲发动机补燃室硼粒子燃烧组织提供应用基础。采用实验装置进行硼粒子点火实验的步骤如下:

采用硼粒子直径为3μm；激光点火器为ROFIN850，最大功率5KW；气体环境为氧气；微流量调节阀为D07－7M/ZM型流量计。

(1)实验开始前，对各零部件气密性进行检查，确保实验装置气密性良好，将氧气瓶、微流量调节阀和粒子气流悬浮激光点火实验装置进行连接。

(2)打开燃烧器，为了保证高速摄影仪能拍摄到硼粒子点火以及燃烧过程情况，实验中硼粒子量不易多，将微量硼粒子放置在微孔板上面，硼粒子需平铺一层。

(3)试验开始时，打开D07－7M/ZM型流量计，开启氧气阀，将氧气充入进气段。

(4)通过D07－7M/ZM型流量计调节氧气流量，直到恰好将硼粒子悬浮。

(5)打开激光点火器，激光束通过锗玻璃窗进入燃烧器内对悬浮的硼粒子进行加热，调节激光点火器功率，将悬浮的硼粒子点燃。

(6)打开高速摄影系统，通过观察窗拍摄硼粒子点火燃烧过程。

Claims (4)

1.一种粒子气流悬浮激光点火实验装置，其特征在于:包括卸气阀、燃烧器、观察窗、锗玻璃窗、微孔板、缓冲段、混合段、二次混合段、中间进气管、球形粒子、进气段、进气管，所述燃烧器位于缓冲段上方，燃烧器上端盖有卸气阀，侧壁周向有观察窗和锗玻璃窗，观察窗和锗玻璃窗两两相对安装，所述缓冲段位于燃烧器与二次混合段之间，燃烧器与缓冲段一端固连，燃烧器与缓冲段连接部位固定有微孔板，二次混合段与缓冲段的另一端固连，二次混合段与缓冲段连接部位固定有微孔板，燃烧器、缓冲段、二次混合段内径相同，所述二次混合段侧壁靠近底部有对称的进气孔，底部中间有台阶孔，二次混合段底部外侧壁有安装板与台架固连；所述进气段为一端封闭的圆筒形结构，侧壁周向有进气孔，进气孔两两相对，进气管与进气孔配合连接，进气段与混合段内径相同，混合段外径小于进气段外径，且与进气段开口端固连，进气段与混合段连接部位固定有微孔板，混合段内置若干球形粒子；所述混合段位于二次混合段的下方，混合段端部中间有台阶孔，混合段与二次混合段通过中间进气管相连通，所述中间进气管两端有外螺纹，中心轴向有通孔，通孔直径大于球形粒子直径，所述微孔板为圆盘形结构，依中心孔外延等间距设置若干等直径微小腔孔，中心孔径大于球形粒子直径；激光点火器位于燃烧器外侧与锗玻璃窗相对，激光点火器产生的激光通过锗玻璃窗射入燃烧器内，将悬浮的球形粒子加热并点燃；高速摄影系统位于燃烧器外侧与观察窗相对，高速摄影系统通过观察窗拍摄球形粒子点火燃烧过程。

2.根据权利要求1所述的粒子气流悬浮激光点火实验装置，其特征在于:所述进气段可充入单种气体或同时充入不同的多种气体。

3.根据权利要求1所述的粒子气流悬浮激光点火实验装置，其特征在于:所述观察窗材料为石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的粒子气流悬浮激光点火实验装置，其特征在于:所述球形粒子材料为塑料。