CN113586283B - 超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置 - Google Patents

超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置 Download PDF

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Abstract

超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，包括激光单元和电极单元；激光单元，用于产生飞秒激光并将激光传输和聚焦到燃烧室内；电极单元，包括阳极和阴极，设置在燃烧室壁面上，阳极和阴极分别连接高压电源的正极和负极，高压电源输出高压电能到阳极和阴极，阴极、阳极与燃烧室壁面之间设有绝缘结构；激光入射到燃烧室内聚焦后击穿燃烧室内的超声速气流形成等离子体通道，且等离子体通道连接阳极和阴极，使阳极和阴极间的高压放电沿着等离子体通道击穿，在高压放电过程中，大量电能沉积在等离子体通道中，点燃超燃冲压发动机燃烧室内的燃料，实现一维点火。本发明为一维放电点火，放电空间极大延长，点火面积增加，点火时间和点火位置可控，点火成功率提高。

Description

超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置
技术领域
本发明属于超燃冲压发动机技术领域，具体涉及一种超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置。
背景技术
高超声速飞行器具备以马赫5以上速度飞行的能力，在超高速机动、远距离飞行、实时侦察和监测等方面具有广泛的应用前景。超燃冲压发动机是高超声速飞行器的动力装置和核心部件。由于超燃冲压发动机燃烧室内来流速度速度快(～1000m/s量级)，燃料在燃烧室内驻留时间短，在这样短的时间内完成压缩、增压并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀的完成掺混十分困难，因此超燃冲压发动机燃烧室点火非常困难。
超燃冲压发动机燃烧室传统点火方式以电火花塞点火为主。其原理是将高压电引入燃烧室，使其在电极间产生火花放电，从而点燃超燃冲压发动机燃烧室内的可燃混合气。电火花塞点火技术的缺点主要包括以下几个方面：
对于固定构型的超燃冲压发动机燃烧室，电火花塞的放电点火位置不易改变，点火成功率与燃料/空气的混合效果关系较大。
由于电火花塞需固定在燃烧室壁面上，属于侵入式点火，可能对燃烧室流场造成干扰。
电火花塞一般只能实现单点点火，放电与混合气的作用范围有限，不利于充分发挥等离子体的点火效能。
另一个对于传统电火花塞的可能替代技术是激光点火技术，相对传统火花塞点火，激光点火技术有很多优势。首先，可以在燃烧室内最适合的位置点火，点火位置可以远离“冷壁”，避免了壁面造成的热损失和自由基猝灭，更有利于火核发展成可传播的火焰，使得点火的成功率大幅提高。激光点火属于非侵入点火技术，无需电极，避免了对流场的干扰以及电极对于火核的猝灭威胁。其存在的问题是激光点火也属于单点点火，激光能量与燃烧室混合燃气作用范围小，能量利用率过低，因此其点火成功率相对较低
发明内容
针对现有技术存在的超燃冲压发动机点火困难的问题，本发明提供一种超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，包括激光单元和电极单元；
激光单元，用于产生飞秒激光并将激光传输和聚焦到燃烧室内；
电极单元，包括阳极和阴极，设置在燃烧室壁面上，阳极和阴极分别连接高压电源的正极和负极，高压电源输出高压电能到阳极和阴极，阴极和阳极与燃烧室壁面之间设置有绝缘结构，使得阴极和阳极与燃烧室壁面之间绝缘；
激光入射到燃烧室内聚焦后能够击穿燃烧室内的超声速气流形成等离子体通道，且所形成的等离子体通道连接阳极和阴极，从而使阳极和阴极间的高压放电沿着等离子体通道击穿，在高压放电过程中，大量电能将沉积在等离子体通道中，点燃超燃冲压发动机燃烧室内的燃料，实现超燃冲压发动机燃烧室的一维点火。
本发明其点火方式为激光诱导放电一维点火，通过对激光单元和高压电源时序的控制，实现点火时间可控；通过对激光聚焦位置的改变或正极、负极在燃烧室中的位置的改变，实现点火位置可控。
进一步地，本发明所述激光单元包括激光器和激光传输单元，激光器用于产生飞秒激光，激光传输单元用于将激光传输和聚焦到燃烧室内。
进一步地，本发明所述激光器为飞秒激光器。
进一步地，本发明所述激光传输单元包括沿激光光路顺次设置的高反镜和聚焦透镜，激光经过高反镜和聚焦透镜后导入燃烧室内，聚焦透镜使激光击穿燃烧室内的气流，形成等离子体。
进一步地，本发明所述高压电源为高压直流脉冲电源或高压交流电源。
进一步地，本发明所述等离子体通道位于阳极和阴极之间的连线的正上方。
进一步地，本发明所述燃烧室为以凹腔为稳焰器的燃烧室，在燃烧室的底部设置有凹腔。
进一步地，本发明所述电极单元设置在凹腔的底壁上。
进一步地，本发明所述电极单元包括绝缘陶瓷体，绝缘陶瓷体安装在凹腔的底壁上，阳极和阴极设置在绝缘陶瓷体上，使阴极和阳极与燃烧室壁面之间绝缘。
通过上述技术方案，本发明能够达到的有益技术效果是：
本发明利用激光诱导等离子体通道引导放电点火，可精确控制放电的时间和位置，使发动机内的点火变得简单易控。
本发明中的激光发生器为激光发生器为飞秒激光器，飞秒激光诱导等离子中含有有助于燃烧的自由基，使后续的放电点火变得更加容易。
飞秒激光诱导等离子体放电会产生一维膨胀波，膨胀波可向周围推进火焰面，进而提高火焰传播速度。
与电火花塞单点放电点火相比，本发明为一维放电点火，放电空间极大延长，点火面积增加，点火成功率提高。
附图说明
图1是本发明一实施例的水平剖面示意图。
图2是本发明一实施例的垂直剖面示意图。
图中标号说明：
1、飞秒激光器；2、激光光束；3、高反镜；4、聚焦透镜；5、燃烧室；6、等离子体通道；7、阳极；8、阴极；9、绝缘陶瓷体；10、高压电源；11、导线；12、光束收集器；13、凹腔；14、超声速空气气流；15、燃料。
具体实施方式
为了使本公开发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实时方式中该值可以相应地改变为合适的值。
本发明一实施例提供一种超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，包括激光单元和电极单元。
激光单元，用于产生激光并将激光传输和聚焦到燃烧室内；
电极单元，包括阳极7和阴极8，设置在燃烧室5壁面上，阳极和阴极分别连接高压电源10的正极和负极，高压电源输出高压电能到阳极7和阴极8，阳极7和阴极8与燃烧室壁面之间设置有绝缘结构，使得阳极7和阴极8与燃烧室壁面之间绝缘；
激光入射到燃烧室内聚焦后能够击穿燃烧室内的超声速气流形成等离子体通道，且所形成的等离子体通道连接阳极和阴极，从而使阳极和阴极间的高压放电沿着等离子体通道击穿，在高压放电过程中，大量电能将沉积在等离子体通道中，点燃超燃冲压发动机燃烧室内的燃料，实现超燃冲压发动机燃烧室的一维点火。
本发明其点火方式为激光诱导放电一维点火，通过对激光单元和高压电源时序的控制，实现点火时间可控；通过对激光聚焦位置的改变或者通过正极、负极在燃烧室中的位置的改变，实现点火位置可控。如图1所示，本发明一实施例中的激光单元包括飞秒激光器1、高反镜3和聚焦透镜4，飞秒激光器1产生的激光光束2经过高反镜3和聚焦透镜4后导入超燃冲压发动机的燃烧室5内，聚焦透镜使激光击穿燃烧室内的气流，形成等离子体
阳极7和阴极8，设置在燃烧室5内，阳极7和阴极8分别通过导线11连接高压电源10的正极和负极，高压电源10输出高压电能到阳极7和阴极8。阳极7和阴极8设置在绝缘陶瓷体9上，通过绝缘陶瓷体9安装在燃烧室5内的底面侧壁上，使阳极7和阴极8与燃烧室壁面之间绝缘。
激光光束2入射到燃烧室5内聚焦后能够击穿燃烧室5内的超声速气流形成等离子体通道6，等离子体通道6位于阳极7和阴极8之间连线的正上方。高压电源10输出高压脉冲，经过导线11传导到阳极7和阴极8，等离子体通道6连接阳极7和阴极8，并起到导线的作用，从而使高压放电沿着等离子体通道6击穿。在高压放电过程中，大量电能将沉积在等离子体通道中，点燃超燃冲压发动机燃烧室内的燃料，实现超燃冲压发动机燃烧室的一维点火。
如图2所示，本发明一实施例提供一种超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，包括飞秒激光器、激光传输单元、高压电源、绝缘陶瓷体、阳极和阴极等部分。
本实施例中的所述燃烧室5为以凹腔为稳焰器的燃烧室，在燃烧室5的底部设置有凹腔13。所述电极单元设置在凹腔13的底壁上。
所述电极单元包括阳极7、阴极8和绝缘陶瓷体9，绝缘陶瓷体9安装在凹腔13的底壁上，阳极7和阴极8设置在绝缘陶瓷体9上，使阴阳极7和阴极8与燃烧室壁面之间绝缘。
飞秒激光器1输出激光光束2，激光光束2经过高反镜3和聚焦透镜4后导入和聚焦到超燃冲压发动机的燃烧室5内。飞秒激光聚焦后能够击穿燃烧室内的气流产生等离子体通道6。等离子体通道6位于阳极7和阴极8的正上方。高压电源10通过导线11连接阳极7和阴极8。高压电源10输出高压脉冲，经过导线11传导到阳极7和阴极8，等离子体通道6连接阳极7和阴极8，并起到导线的作用，从而使高压放电沿着等离子体通道6击穿。在放电过程中，大量电能将沉积在等离子体通道6中，并在凹腔13(参见图2)中点燃超声速空气气流14与燃料15的混合物，实现超燃冲压发动机燃烧室的一维可控点火。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (9)

1.超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，包括激光单元和电极单元；
激光单元，用于产生飞秒激光并将激光传输和聚焦到燃烧室内；
电极单元，包括阳极和阴极，设置在燃烧室壁面上，阳极和阴极分别连接高压电源的正极和负极，高压电源输出高压电能到阳极和阴极，阴极、阳极与燃烧室壁面之间设置有绝缘结构，使得阴极、阳极与燃烧室壁面之间绝缘；
激光入射到燃烧室内聚焦后能够击穿燃烧室内的超声速气流形成等离子体通道，且所形成的等离子体通道连接阳极和阴极，从而使阳极和阴极间的高压放电沿着等离子体通道击穿，在高压放电过程中，大量电能将沉积在等离子体通道中，点燃超燃冲压发动机燃烧室内的燃料，实现超燃冲压发动机燃烧室的一维点火。
2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，通过对激光单元和高压电源时序的控制，实现点火时间可控；通过对激光聚焦位置的改变或者通过正极、负极在燃烧室中的位置的改变，实现点火位置可控。
3.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，激光单元包括飞秒激光器和激光传输单元，飞秒激光器用于产生飞秒激光，激光传输单元用于将激光传输并且聚焦到燃烧室内。
4.根据权利要求3所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，激光传输单元包括沿激光光路顺次设置的高反镜和聚焦透镜，激光经过高反镜和聚焦透镜后导入燃烧室内，聚焦透镜使激光击穿燃烧室内的气流，形成等离子体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，高压电源为高压直流脉冲电源或高压交流电源。
6.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，等离子体通道位于阳极和阴极之间的连线的正上方。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，所述燃烧室为以凹腔为稳焰器的燃烧室，在燃烧室的底部设置有凹腔。
8.根据权利要求7所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，所述电极单元设置在凹腔的底壁上。
9.根据权利要求8所述的超燃冲压发动机燃烧室一维可控点火装置，其特征在于，所述电极单元包括绝缘陶瓷体，绝缘陶瓷体安装在凹腔的底壁上，阳极和阴极设置在绝缘陶瓷体上，使阴极和阳极与燃烧室壁面之间绝缘。
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