CN108398272A - 一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统及方法，属于高超声速激波风洞试验技术领域。本发明通过合理的管路配套，通过喷流高速阀和控制系统软硬件的协调匹配解决了激波风洞燃料供应与风洞来流时序控制问题；采用试验段内置缓冲罐和稳压腔的方式降低了供气管路的沿程损失，使燃料喷射压力更稳定。通过控制系统设置阀门开启的时间，严格控制喷入试验段的氢气量，保障了试验的安全性。

Description

一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统及方法，属于高超声速激波风洞试验技术领域。

背景技术

超燃冲压发动机通过进气道型面减速增压并吸入飞行坏境中的空气、与燃烧室中的燃料混合形成超声速燃烧等工作方式，有效避免了火箭发动机必须携带氧化剂的不足，具有比冲高、成本低、可重复使用等优势，受到国外航天强国的高度重视。而在激波风洞中进行超燃发动机进气道试验是进行超燃发动机研制过程的重要手段。

在激波风洞超燃发动机进气道试验中主要使用氢气作为燃料。。然而高马赫数高焓激波风洞运行时间都很短，特别是高马赫数下的试验时间几乎都在几个毫秒，这给超燃推进相关试验带来了极大的挑战：一是风洞运行、燃料供应等硬件系统之间的协调配合问题；二是高响应的燃料供应系统，特别是氢气喷流气源、管路对喷流时间滞后的影响；三是易燃爆气体氢气作为试验燃料的安全可控性问题。。解决上述难题，建立氢气燃料供应系统以及设计燃料供应系统与激波风洞来流相协调的时序控制技术是进行高马赫数超燃冲压发动机试验的重点。而目前面向空间进入的高马赫数(Ma≥8)超燃冲压发动机技术(特别配套的实验设备和试验技术)却非常薄弱。尚无该方面的研究成果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，该系统包括燃料喷流支路和燃料喷流控制支路；

所述的燃料喷流支路包括缓冲罐、氢气高速阀、第一氢气回火器、稳压腔和喷流驻室压力传感器，其中缓冲罐、氢气高速阀、第一氢气回火器、稳压腔依次通过管路连接，喷流驻室压力传感器安装在稳压腔上，稳压腔通过管路与超燃发动机进气道模型氢气喷口连接；

所述的燃料喷流控制支路包括触发压力传感器、实时控制器和固态继电器；触发压力传感器通过线路与实时控制器采集端口连接，实时控制器输出端口通过线路与固态继电器输入端口连接，固态继电器输出端口通过线路与氢气高速阀连接。

所述的缓冲罐用于存储氢气；

所述的氢气高速阀用于控制缓冲罐内氢气的排出；

所述的第一氢气回火器用于防止超燃发动机试验过程中火焰倒燃至缓冲罐内；

所述的稳压腔是一个具有设定体积的腔室，起到稳定氢气喷射压力的作用；

所述的喷流驻室压力传感器用于监测喷流氢气的压力；

所述的氢气高速阀为防爆高速电磁阀，开关速度5ms-10ms；

所述的燃料喷流支路设置在试验段内靠近超燃发动机试验模型的位置；

所述的燃料喷流控制部分中实时控制器定时控制时间精度0.1ms以内，固态继电器响应时间2ms以内。

所述的触发压力传感器用于测量试验气流的来流压力；并将测量得到的试验气流的压力信号传输给实时控制器，实时控制器将接收到的压力信号转换为控制信号传输给固态继电器，固态继电器根据接收到的控制信号实现对氢气高速阀的开闭控制。

该系统还包括氢气充装支路，氢气充装支路包括氢气气源、氢气减压阀、单向阀、氢气回火器和氢气支路阀门，氢气气源、氢气减压阀、单向阀、氢气回火器、氢气支路阀门通过管路依次连接，氢气支路阀门另一端通过管路与缓冲罐连接。

该系统还包括氮气置换支路，氮气置换支路包括氮气气源、氮气支路气动阀和氮气支路阀门，氮气气源、氮气支路气动阀、氮气支路阀门通过管路依次连接，氮气支路阀门另一端通过管路与缓冲罐连接。

该系统还包括排空支路，排空支路包括氢气安全阀、排空阀门和氢气回火器，其中氢气安全阀的一端通过管路与缓冲罐连接，排空阀门的一端通过管路与缓冲罐连接，氢气安全阀的另一端与氢气回火器通过管路连接，排空阀门的另一端与氢气回火器通过管路连接，氢气回火器连接在室外的排空管上。

该系统还包括抽真空支路，抽真空支路包括真空支路阀门和真空泵，真空支路阀门的一端与真空泵通过管路连接，真空支路阀门的另一端通过管路与缓冲罐连接。

所述的触发压力传感器安装在风洞激波管上，具体位置根据在风洞触发调试中具体确定。

一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应方法，该方法的步骤包括：风洞试验气流到达触发压力传感器位置时，触发压力传感器将采集到的试验气流压力信号传输给实时控制器，实时控制器延时给固态继电器发送控制信号从而控制氢气高速阀开启，氢气高速阀开启后，氢气气流与试验气流在超燃发动机的燃烧室内进行燃烧实验。

该方法还包括氢气充装过程和氢气放空氮气置换过程；在氢气气流与试验气流在超燃发动机的燃烧室内进行燃烧实验之前进行氢气充装过程，在氢气气流与试验气流在超燃发动机的燃烧室内进行燃烧实验之后进行氢气放空氮气置换过程；

氢气充装过程：首先用开启真空泵开启真空支路阀门，为缓冲罐抽真空，而后关闭真空泵，关闭真空支路阀门；开启氢气支路阀门为缓冲罐充氢气至1MPa，然后关闭氢气支路阀门，开启排空阀门，将氢气排空，如此重复5次，从而将除氢气外的杂质气体的浓度降低到10^-5以下，再开启氢气支路阀门将缓冲罐充入试验需要的氢气压力后关闭氢气支路阀门，氢气充装过程结束；

氢气放空氮气置换过程：实验结束后，开启排空阀门，将残余氢气排空，然后开启氮气支路阀门，对管路及缓冲管进行吹扫，而后关闭排空阀门，将缓冲罐中氮气充到1MPa，然后关闭氮气支路阀门，开启排空阀门，将氮气排出，如此重复5次，氮气置换过程结束，从而将氢气的浓度降低到10^-5以下。

本发明具有以下优点及突出性效果：

(1)本发明通过合理的管路配套，通过喷流高速阀和控制系统软硬件的协调匹配解决了激波风洞燃料供应与风洞来流时序控制问题；采用试验段内置缓冲罐和稳压腔的方式降低了供气管路的沿程损失，使燃料喷射压力更稳定。通过控制系统设置阀门开启的时间，严格控制喷入试验段的氢气量，保障了试验的安全性。

(2)通过合理的充装、置换、抽空等操作保证了试验过程中氢气的纯度。在缓冲罐和超燃发动机燃料喷口之间设置回火器，解决了火焰倒燃入缓冲罐的可能。从而最大限度的的保证整个装置的安全性。

(3)本发明公开了一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，可实现高马赫数激波风洞超燃发动机进气道试验，该系统由氢气充装支路、氮气置换支路、排空支路、抽真空支路、燃料喷流支路，燃料喷流控制部分组成。所述的燃料喷流支路置于试验段内，由缓冲罐、缓冲罐压力传感器、氢气专用高速阀、氢气回火器、稳压腔、喷流驻室压力传感器及管路组成。所述的燃料喷流控制部分由触发压力传感器、实时控制器、固态继电器及相应的控制线组成。其中触发压力传感器安装在激波管上。试验过程采取氢气充装过程，燃料喷流试验过程，氮气置换过程的方式进行，其中燃料喷流试验过程通过试验来流触发控制氢气专用高速阀控制燃料的喷流过程。

(4)本发明通过合理的管路配套及控制策略，保证了试验过程的安全性，通过喷流高速阀和控制系统软硬件的协调匹配解决了激波风洞燃料供应与风洞来流时序控制问题；采用试验段内置缓冲罐和稳压腔的方式降低了供气管路的沿程损失，使燃料喷射压力更稳定。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；其中，1-氢气充装支路，2-氮气置换支路，3-排空支路，4-抽真空支路，5-燃料喷流支路，6-燃料喷流控制部分，101-氢气气源，102-氢气减压阀，103-单向阀，104-氢气回火器，105-氢气支路阀门，201-氮气气源，202-氮气支路气动阀，301-氢气安全阀，302-排空阀门303-回火器，401-真空支路阀门，402-真空泵，501-缓冲罐，502-缓冲罐压力传感器，503-氢气专用高速阀，504-氢气回火器，505-稳压腔，506-喷流驻室压力传感器，601-触发压力传感器，602-实时控制器，603-固态继电器。

具体实施方式

一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，该系统包括氢气充装支路1、氮气置换支路2、排空支路3、抽真空支路4、燃料喷流支路5和燃料喷流控制部分6；

所述的氢气充装支路1包括氢气气源101、氢气减压阀102、单向阀103、氢气回火器104、氢气支路阀门105和管路；

所述的氮气置换支路2包括氮气气源201、氮气支路气动阀202、氮气支路阀门203和管路；

所述的排空支路3包括氢气安全阀301、排空阀门302、氢气回火器303和管路；

所述的抽真空支路4包括真空支路阀门401、真空泵402和管路；

所述的燃料喷流支路5包括缓冲罐501、缓冲罐压力传感器502、氢气高速阀503、第一氢气回火器504、稳压腔505、喷流驻室压力传感器506和管路；

所述的燃料喷流控制部分6包括触发压力传感器601、实时控制器602、固态继电器603和相应的控制线；

所述的氢气充装支路1、氮气置换支路2、排空支路3、抽真空支路4、分别通过管路与燃料喷流支路5中的缓冲罐501接通；触发压力传感器601安装在风洞激波管上，具体位置根据在风洞触发调试中具体确定。

所述的氢气高速阀503为防爆高速电磁阀，开关速度5ms；

所述的燃料喷流支路5设置在试验段内靠近超燃发动机试验模型的位置；

所述的燃料喷流控制部分6中实时控制器602定时控制时间精度0.1ms以内，固态继电器响应时间2ms以内；

一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应方法，包括氢气充装过程、燃料喷流试验过程和氮气置换过程；

氢气充装：首先用真空泵为供应系统抽真空，而后通过多次置换的方式为缓冲罐充试验要求压力的氢气，如置换压力为1MPa，置换次数5次，从而将除氢气外的杂质气体的浓度降低到10^-5以下；

氢气喷注试验：通过触发的方式控制氢气喷注高速阀开启实现氢气的氢气喷注；

氢气放空氮气置换：实验结束后，开启放空阀，将残余的氢气放空；然后开启氮气吹除阀，对供气系统的氢气进行吹除；而后通过氮气置换方式将氢气置换干净，如置换压力为1MPa，置换次数5次，从而将氢气的浓度降低到10^-5以下。

氢气喷注实验过程中触发方式具体实施如下：当试验气流到达触发压力传感器601位置时，实时控制器会采集到触发压力传感器601产生的阶跃信号。实时控制器进行延迟若干毫秒控制固态继电器通断从而控制高速阀开闭，从而保证超燃试验燃料喷流与风洞试验气体来流相匹配。具体延迟时间长短通过调试得到。同时实时控制器中设置燃料喷注的时间，从而达到控制氢气进入试验段的量，保障试验的安全性。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统包括氢气充装支路1、氮气置换支路2、排空支路3、抽真空支路4、燃料喷流支路5，燃料喷流控制部分6组成。

所述氢气充装支路1由氢气气源101、氢气减压阀102、单向阀103、氢气回火器104、氢气支路阀门105及管路组成；氢气气源101由若干个氢气气瓶及相应的汇流排组成。氢气瓶的数量与试验段氢气量及频次相匹配。

所述氮气置换支路2由氮气气源201、氮气支路气动阀202及管路组成；所述排空支路3由氢气安全阀301、排空阀门302、氢气回火器303及管路组成；排空管路接到室外，且管口高于建筑物。

所述抽真空支路4由真空支路阀门401、真空泵402及管路组成；燃料喷流支路5由缓冲罐501、缓冲罐压力传感器502、氢气专用高速阀503、第一氢气回火器504、稳压腔505、喷流驻室压力传感器506及管路组成；燃料喷流控制部分6由触发压力传感器601、实时控制器602、固态继电器603及相应的控制线组成。

如图1所示，所述氢气充装支路1、氮气置换支路2、排空支路3、抽真空支路4、分别通过管路与燃料喷流支路5中的缓冲罐501接通。触发压力传感器601安装在风洞激波管上，具体位置根据在风洞触发调试中具体确定。

所述的氢气专用高速阀503为防爆电磁阀，开关速度5ms左右。

所述的燃料喷流支路5设置在试验段内靠近超燃发动机试验模型的位置。这种配置有助于减少管路长度，从而减少燃料供应过程中的压力损失，保障喷流的压力稳定性。

所述的燃料喷流控制部分6，实时控制器602定时控制时间精度0.1ms以内，固态继电器响应时间2ms以内。从而保证整个燃料喷流控制系统的实时性要求。

一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应方法，分为氢气充装过程，燃料喷流试验过程，氮气置换过程三个步骤。

氢气充装：首先用真空泵为供应系统抽真空，而后通过多次置换的方式为缓冲罐充试验要求压力的氢气。如置换压力为1MPa，置换次数5次，从而将除氢气外的杂质气体的浓度降低到10^-5以下。

氢气喷注试验：通过触发的方式控制氢气喷注高速阀开启实现氢气的氢气喷注。

氢气放空氮气置换：实验结束后。开启放空阀，将残余的氢气放空；然后开启氮气吹除阀，对供气系统的氢气进行吹除；而后通过氮气置换方式将氢气置换干净。如置换压力为1MPa，置换次数5次，这样氢气的浓度降低到10^-5以下。

氢气喷注实验过程中触发方式具体实施如下：当试验气流到达触发压力传感器601位置时，实时控制器会采集到触发压力传感器601产生的阶跃信号。实时控制器进行延迟若干毫秒控制固态继电器通断从而控制高速阀开闭，从而保证超燃试验燃料喷流与风洞试验气体来流相匹配。具体延迟时间长短通过调试得到。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明通过合理的管路配套，通过喷流高速阀和控制系统软硬件的协调匹配解决了激波风洞燃料供应与风洞来流时序控制问题；采用试验段内置缓冲罐和稳压腔的方式降低了供气管路的沿程损失，使燃料喷射压力更稳定。通过控制系统设置阀门开启的时间，严格控制喷入试验段的氢气量，保障了试验的安全性。

通过合理的充装、置换、抽空等操作保证了试验过程中氢气的纯度。分别在缓冲罐和超燃发动机燃料喷口之间、排空管路上、氢气气源出口设置回火器，解决了火焰倒燃入缓冲罐的可能。从而最大限度的的保证整个装置在试验前后安全可控。

Claims (10)

1.一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：该系统包括燃料喷流支路和燃料喷流控制支路；

所述的燃料喷流支路包括缓冲罐、氢气高速阀、第一氢气回火器、稳压腔和喷流驻室压力传感器，其中缓冲罐、氢气高速阀、第一氢气回火器、稳压腔依次通过管路连接，喷流驻室压力传感器安装在稳压腔上，稳压腔通过管路与超燃发动机进气道模型氢气喷口连接；

所述的燃料喷流控制支路包括触发压力传感器、实时控制器和固态继电器；触发压力传感器通过线路与实时控制器采集端口连接，实时控制器输出端口通过线路与固态继电器输入端口连接，固态继电器输出端口通过线路与氢气高速阀连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：所述的缓冲罐用于存储氢气；

所述的氢气高速阀用于控制缓冲罐内氢气的排出；

所述的第一氢气回火器用于防止超燃发动机试验过程中火焰倒燃至缓冲罐内；

所述的稳压腔是一个具有设定体积的腔室，起到稳定氢气喷射压力的作用；

所述的喷流驻室压力传感器用于监测喷流氢气的压力；

所述的氢气高速阀为防爆高速电磁阀，开关速度5ms-10ms；

所述的燃料喷流支路设置在试验段内靠近超燃发动机试验模型的位置；

所述的燃料喷流控制部分中实时控制器定时控制时间精度0.1ms以内，固态继电器响应时间2ms以内。

3.根据权利要求1所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：所述的触发压力传感器用于测量试验气流的来流压力；并将测量得到的试验气流的压力信号传输给实时控制器，实时控制器将接收到的压力信号转换为控制信号传输给固态继电器，固态继电器根据接收到的控制信号实现对氢气高速阀的开闭控制。

4.根据权利要求1所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：该系统还包括氢气充装支路，氢气充装支路包括氢气气源、氢气减压阀、单向阀、氢气回火器和氢气支路阀门，氢气气源、氢气减压阀、单向阀、氢气回火器、氢气支路阀门通过管路依次连接，氢气支路阀门另一端通过管路与缓冲罐连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：该系统还包括氮气置换支路，氮气置换支路包括氮气气源、氮气支路气动阀和氮气支路阀门，氮气气源、氮气支路气动阀、氮气支路阀门通过管路依次连接，氮气支路阀门另一端通过管路与缓冲罐连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：该系统还包括排空支路，排空支路包括氢气安全阀、排空阀门和氢气回火器，其中氢气安全阀的一端通过管路与缓冲罐连接，排空阀门的一端通过管路与缓冲罐连接，氢气安全阀的另一端与氢气回火器通过管路连接，排空阀门的另一端与氢气回火器通过管路连接，氢气回火器连接在室外的排空管上。

7.根据权利要求1所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：该系统还包括抽真空支路，抽真空支路包括真空支路阀门和真空泵，真空支路阀门的一端与真空泵通过管路连接，真空支路阀门的另一端通过管路与缓冲罐连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统，其特征在于：所述的触发压力传感器安装在风洞激波管上，具体位置根据在风洞触发调试中具体确定。

9.一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应方法，其特征在于：该方法的步骤包括：风洞试验气流到达触发压力传感器位置时，触发压力传感器将采集到的试验气流压力信号传输给实时控制器，实时控制器延时给固态继电器发送控制信号从而控制氢气高速阀开启，氢气高速阀开启后，氢气气流与试验气流在超燃发动机的燃烧室内进行燃烧实验。

10.根据权利要求9所述的一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应方法，其特征在于：该方法还包括氢气充装过程和氢气放空氮气置换过程；在氢气气流与试验气流在超燃发动机的燃烧室内进行燃烧实验之前进行氢气充装过程，在氢气气流与试验气流在超燃发动机的燃烧室内进行燃烧实验之后进行氢气放空氮气置换过程；

氢气充装过程：首先用开启真空泵开启真空支路阀门，为缓冲罐抽真空，而后关闭真空泵，关闭真空支路阀门；开启氢气支路阀门为缓冲罐充氢气至1MPa，然后关闭氢气支路阀门，开启排空阀门，将氢气排空，如此重复5次，从而将除氢气外的杂质气体的浓度降低到10^-5以下，再开启氢气支路阀门将缓冲罐充入试验需要的氢气压力后关闭氢气支路阀门，氢气充装过程结束；

氢气放空氮气置换过程：实验结束后，开启排空阀门，将残余氢气排空，然后开启氮气支路阀门，对管路及缓冲管进行吹扫，而后关闭排空阀门，将缓冲罐中氮气充到1MPa，然后关闭氮气支路阀门，开启排空阀门，将氮气排出，如此重复5次，氮气置换过程结束，从而将氢气的浓度降低到10^-5以下。