CN113123901A - 基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法。包括由电极区和燃烧区组成点火装置，离子推进剂通过入口进入到点火装置的电极区，在离子推进剂流经电极区时导通所述电极区的电流，利用离子推进剂自有阻抗产生电流热效应，离子推进剂被电流热效应加热发生蒸发分解反应，离子推进剂蒸发分解后的气态混合物流出电极区进入燃烧区，在燃烧区被高温引燃，实现离子推进剂点火。本发明利用离子推进剂自有电阻在通电状态下产生热量实现加热离子推进剂自身，从而实现离子推进剂的蒸发和分解。将电能转化为离子推进剂的能量，转化效率高。通过高温点燃离子推进剂蒸发分解的气态产物，能够实现稳定的点火。

Description

基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法

技术领域

本发明涉及推进剂点火技术领域，尤其涉及一种基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法。

背景技术

过去几十年以来，无水肼单组元推进剂被广泛用于卫星的姿轨控制、小卫星推进系统以及导弹动力系统等。但是肼毒性大，可致癌，易燃易爆，需要昂贵的地面支持和保障系统，这无疑增加了发动机制造和发射的成本。基于对绿色无毒推进剂的需求，上世纪开始航天技术人员便开始高能绿色无毒单组元液体推进剂的研究，目前被认为具有应用前景的单组元绿色无毒推进剂主要有ADN(二硝酰胺铵，Ammonium dinitramide)基单组元液体推进剂和HAN(硝酸羟胺，hydroxylammonium nitrate)基单组元液体推进剂。而且基于绿色无毒推进剂的空间发动机已经实现在轨验证。

目前，现有技术中的一种在轨空间发动机结构主要由喷注系统、催化床、燃烧室和喷管几部分组成，如图1所示。在空间发动机工作过程中，推进剂通过雾化喷嘴喷射进入发动机的催化床中，在已经加热至高温的催化床的作用下，推进剂在催化床内逐渐蒸发和分解，并且推进剂中的组分发生分解反应，并生成大量的氧化性产物，氧化性产物与推进剂中的燃料在燃烧室中进行燃烧反应产生高温高压的气体，燃烧产生的高温气体通过喷管喷出发动机从而产生推力。

推进剂的分解过程主要在催化床中进行，在发动机启动前需将催化床预热到一定温度，催化床中的催化剂可以降低推进剂分解过程中的活化能，促进推进剂的分解过程，因此，催化剂对推进剂的分解过程有重要的作用。而在发动机运行过程中，推进剂燃烧具有很高的燃烧温度，而催化剂在高温下容易失活，因此会缩短发动机的寿命。另一方面，由于发动机启动前需要一定的时间对催化床进行预热，因此，发动机无法实现紧急情况下的冷启动。

上述现有技术中的在轨空间发动机结构的缺点为：目前ADN基或HAN基空间发动机的启动过程和分解燃烧过程都需要利用催化床的催化作用才能实现。而催化床的催化作用完全由催化剂颗粒的活性决定，随着催化剂的长期使用，催化剂长期暴漏在高温条件下，其活性会逐渐降低，催化剂的催化作用会逐渐减弱，因此，催化剂的活性直接决定空间发动机的寿命。催化剂在高温下易失活的问题直接影响发动机的寿命，因此目前的催化剂无法实现高性能大推力发动机的寿命要求。

目前的ADN基或HAN基空间发动机严重依赖催化剂的工作特性，因此空间发动机无法实现发动机冷启动，催化剂高温易失活寿命短而且难以应用在高性能的大推力空间发动机。在发动机启动时，催化床需要预热到目标温度，才能实现空间发动机启动过程，因此无法在紧急情况下实现发动机的冷启动。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法，以实现离子推进剂稳定的点火。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法，由电极区和燃烧区组成点火装置，包括：

离子推进剂通过入口进入到点火装置的电极区，在所述离子推进剂流经所述电极区时导通所述电极区内电极间的电流，利用所述电极间的离子推进剂自有阻抗产生电流热效应，所述离子推进剂被所述电流热效应加热发生蒸发分解反应，所述离子推进剂蒸发分解后的气态混合物流出所述电极区进入所述燃烧区，在所述燃烧区被高温引燃，实现所述离子推进剂点火。

优选地，所述电极区包括网孔电极、陶瓷垫片和导电棒，所述网孔电极上布置许多网孔，所述网孔电极的正负极通过绝缘的陶瓷垫片进行分开，同一极性的网孔电极通过导电棒连接；

当离子推进剂流经电极区时，所述离子推进剂穿越所述网孔电极上的网孔流动，所述离子推进剂充满电极区的正负电极之间的间隙，将所述电极区的电流导通，利用所述离子推进剂的电阻值在所述电极区产生电流热效应。

优选地，所述导电棒通过导线与电源系统相连，通过电源系统给所述网孔电极提供电压。

优选地，所述离子推进剂蒸发分解后的气态混合物通过所述燃烧区的高温电弧电极产生的高温电弧引燃；

或者，

所述离子推进剂蒸发分解后的气态混合物通过所述燃烧区的高温热源引燃。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明利用离子推进剂自有电阻在通电状态下产生热量实现加热离子推进剂自身，从而实现离子推进剂的蒸发和分解。将电能转化为离子推进剂的能量，转化效率高。通过高温电弧点燃离子推进剂蒸发分解的气态产物，能够实现稳定的点火。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种现有技术中的在轨空间发动机结构的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法的实现原理图；

图3为本发明实施例提供的一种网孔电极和陶瓷垫片的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种环形电极结构点火方法原理图；

图5为本发明实施例提供的一种环形电极的立体结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

空间发动机实现大推力需要克服催化剂高温下易失活的缺陷。由于催化剂需要提前预热到一定温度才能实现离子推进剂的分解过程，因此空间发动机无法在紧急情况下实现冷启动。

本发明实施例提供的一种基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法的实现原理图如图2所示，包括导电棒1、陶瓷垫片2、网孔电极3、导线4和高温电弧电极5。点火装置主要由电极区和燃烧区组成。离子推进剂在电极区进行高温蒸发分解反应，离子推进剂蒸发分解后的气态混合物在燃烧区由高温电弧进行引燃，从而在燃烧区实现持续燃烧。导电棒通过导线与电源系统相连，通过电源系统给电极供给适当的电压。

上述电极区包括网孔电极、陶瓷垫片和导电棒。图3为本发明实施例提供的一种网孔电极和陶瓷垫片的示意图，网孔电极上布置许多网孔，如图3中所示，离子推进剂可以通过穿越网孔流动。网孔电极的正负极(或零线火线)通过绝缘的陶瓷垫片(图3所示)进行分开，陶瓷垫片具有很高的耐高温特性，可以实现承受离子推进剂分解燃烧产生的高温。同一极性的网孔电极通过导电棒连接。本方法中网孔电极采用耐高温材质加工而成，电极中布置多个细小网孔，网孔可实现推进剂在电极中流动，另外可以增加流阻，增加推进剂的驻留时间。

当离子推进剂流经电极区时，由于电极区的正负电极之间间隙很小，离子推进剂能迅速充满电极区的正负电极之间的间隙。由于离子推进剂具有导电性和一定阻值的阻抗，因此可以将电极区的电流导通。由于离子推进剂具有较高的电阻值，因此在通电过程产生电流的热效应，迅速产生大量热量，从而使离子推进剂迅速蒸发分解。

然后，随着离子推进剂的流动，蒸发分解的气态混合物迅速向燃烧区流动。当采用适当的电压时，进入燃烧区的气态混合物为燃料与氧化剂的混合物，此时将燃烧区的高温电弧电极通电，电极间迅速产生高温电弧，当电极区的气态混合物接触到高温电弧时，可以迅速被引燃，从而实现离子推进剂点火和持续燃烧。

本发明实施例方法的总体流程为离子推进剂通过入口进入到点火装置的电极区，在离子推进剂流经电极区时迅速导通电极区电流，离子推进剂由于电流热效应迅速被加热从而发生蒸发分解反应。当离子推进剂发生蒸发分解后的气态混合物流出电极区后，通过燃烧区的高温电弧电极产生的高温电弧引燃，从而实现离子推进剂点火。

图4为本发明实施例提供的一种环形电极结构点火方法原理图。包括导电棒1、导线2、电极支架3、绝缘外壳4、环形电极5和高温电弧电极6。图4中电极区布置一对环形电极，图5为本发明实施例提供的一种环形电极的立体结构示意图。包括绝缘外壳1、环形结构电极2、电极支架3、电极间隙4。分解区内的两个环形电极固定在绝缘装置内，并且两个环形电极之间相互不接触，不同环形电极之间留有一定的间隙。其工作过程为离子推进剂经过入口进入分解区，离子推进剂迅速填充环形电极之间的缝隙，两个环形电极分别通电，离子推进剂填充间隙后迅速将电路导通，离子推进剂通电后在电路热效应的作用下迅速发生蒸发分解，其蒸发分解后的气态混合物进入燃烧区，在燃烧区的高温电弧作用下发生着火，从而实现离子推进剂的燃烧。

上述燃烧区高温电弧引燃方法可以通过其他高温热源，如高温热棒，火花塞等。

综上所述，本发明实施例方法利用离子推进剂自有电阻在通电状态下产生热量实现加热离子推进剂自身，从而实现离子推进剂的蒸发和分解。此方法直接将电能转化为离子推进剂的能量，转化效率高。另一方面通过高温电弧点燃离子推进剂蒸发分解的气态产物，能够实现稳定的点火。此方法在实施过程中不使用催化剂，可以避免催化剂高温失活带来的寿命问题。此外，此方法能够直接加热离子推进剂，使离子推进剂迅速被加热至高温，从而实现离子推进剂蒸发分解，再通过高温电弧引燃，整个过程不需要预热过程，可以实现发动机冷启动。最后，发动机分解区可以进行结构优化，延长离子推进剂加热时间，因此可以通过增加离子推进剂流量发展大推力空间发动机。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于电阻加热及燃烧室高温引燃的离子推进剂电点火方法，其特征在于，由电极区和燃烧区组成点火装置，包括：

离子推进剂通过入口进入到点火装置的电极区，在所述离子推进剂流经所述电极区时导通所述电极区内电极间的电流，利用所述电极间的离子推进剂自有阻抗产生电流热效应，所述离子推进剂被所述电流热效应加热发生蒸发分解反应，所述离子推进剂蒸发分解后的气态混合物流出所述电极区进入所述燃烧区，在所述燃烧区被高温引燃，实现所述离子推进剂点火。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极区包括网孔电极、陶瓷垫片和导电棒，所述网孔电极上布置许多网孔，所述网孔电极的正负极通过绝缘的陶瓷垫片进行分开，同一极性的网孔电极通过导电棒连接；

当离子推进剂流经电极区时，所述离子推进剂穿越所述网孔电极上的网孔流动，所述离子推进剂充满电极区的正负电极之间的间隙，将所述电极区的电流导通，利用所述离子推进剂的电阻值在所述电极区产生电流热效应。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电棒通过导线与电源系统相连，通过电源系统给所述网孔电极提供电压。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述离子推进剂蒸发分解后的气态混合物通过所述燃烧区的高温电弧电极产生的高温电弧引燃；

或者，

所述离子推进剂蒸发分解后的气态混合物通过所述燃烧区的高温热源引燃。

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