CN115750144B - 协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂点火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂微波点火方法，属于航天发动机技术领域。本发明相较于传统的催化燃烧技术存在着催化床需要预热、催化床烧结、启动困难等问题，该微波点火方法具有点火能量高，点火可靠，燃烧稳定和燃烧效率高等优势；通过协同调控推进剂流量和微波功率，可以根据数据采集系统输出的温度和火焰长度等来判断点火是否达到需求，并不断修正点火策略，来使得推力器成功启动。
Description
技术领域
本发明涉及航天发动机技术领域，具体涉及一种协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂微波点火方法。
背景技术
“绿色推进剂”主要包括：叠氮类、硝酸羟胺(HAN)类、二硝酰胺铵(ADN)和硝仿肼类液体单元推进剂等几大类。其中，ADN基液体推进剂(主要由ADN、醇类和水组成)具有处理安全性高和比冲和储存密度高等优点，是目前比较理想的绿色推进剂之一。ADN基、HAN基液体推进剂作为一种高性能、绿色无毒、可存储的新型推进剂，代表了空间化学推进技术全新的研究方向和发展趋势。
目前应用在卫星上的ADN基、HAN基液体发动机采用预热催化方式来实现液体推进剂的点火。该类液体发动机的工作过程分为以下几个阶段：1)催化床预热；2)推进剂喷射；3)推进剂的催化分解；4)燃料在燃烧室内的高温燃烧；5)高温高压燃气喷出产生推力。推进剂的催化分解特性不但决定了发动机的点火开机性能，还对燃料燃烧和发动机推力特性产生重要性能。
目前ADN基、HAN基液体发动机的地面测试发现：采用催化方式实现的推进剂点火，存在点火特性受催化剂性能和预热温度显著影响的问题。ECAPS公司通过对ADN基液体推力器进行地面点火测试发现：当预热温度从大于300℃降到200℃时，点火延迟有增大趋势。当低于200℃时，仍可点火成功，但是发动机点火延迟进一步增大至0.6s。测试结果表明，催化剂性能和预热温度对点火特性影响显著；发动机可能会出现低温开机困难、催化颗粒烧结(造成催化剂活性降低和催化床阻塞)、燃烧压力显著波动等问题。
综上可知，众多的基础研究和实验测试均发现催化床结构、催化剂性能以及催化床预热温度等因素都会对ADN基、HAN基液体推进剂的分解过程产生重要影响。预热催化方式需要让ADN基、HAN基液体推进剂与催化颗粒进行大面积接触，以提高催化反应性能，但造成催化颗粒直接承受周围高温高压燃气的作用。现阶段ADN基、HAN基发动机均采用催化燃烧方法实现，高温燃气与催化剂直接接触，对于高能配方的发动机其燃烧室内温度可达到1600℃以上，而催化剂不能长期在该温度条件下稳定工作，因此存在工作寿命下降、催化剂烧结等问题，引起发动机工作不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波激发等离子体的点火，实现对液体推进剂直接点火，降低了催化剂性能和预热温度对点火特性的影响、避免了催化颗粒烧蚀和活性降低、延长了催化剂实用寿命的协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂微波点火方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明提供一种协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂点火方法，包括：
步骤S1：在等离子体炬出口上方放置多个热电偶，利用温度采集单元多点测量待测点处的温度值；
步骤S2：开启固态微波源，设置固态微波源驱动模块为稳态输入，设定微波发射频率以及微波功率；
步骤S3：检测微波发射情况，若反射波正常，则进入步骤S4；
步骤S4：调节阀门控制工质气体流量；
步骤S5：检测离子体射流是否合格，若合格，则进入步骤S6；
步骤S6：协同调控推进剂流量和微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，则进入步骤S11；反之进入步骤S7；
步骤S7：保持推进剂流量不变，降低微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S8；
步骤S8：增加推进剂流量，微波功率同步骤S6中的微波功率，通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S9；
步骤S9：增加推进剂流量和微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S10；
步骤S10：按照等差数列的方式调整推进剂流量和微波功率，通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，则进入步骤S11；反之进入步骤S10；
S11：实现微波等离子体点燃单组元推进剂，即点火成功。
优选的，在等离子体炬出口处垂直放置直尺，用以测量等离子体射流和推进剂火焰的长度。
优选的，若反射波异常，即固态微波源中支路的反射功率达到预警值，即结束点火过程，重复步骤S2，并逐次提高微波功率，每次提升幅度为100W。
优选的，发送微波至等离子体炬生成明亮的等离子体射流后且长度h1大于等于3cm，即等离子体射流检测合格，进入步骤S6；反之，若出现等离子体炬内导体尖端出现丝状放电或等离子体射流长度小于3cm，即点火不合格，重复步骤S4。
优选的，所述步骤S6中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在2mL/min，设定微波功率为300W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S7。
优选的，所述步骤S7中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在2mL/min，设定微波功率为400W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S8。
优选的，所述步骤S8中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在3mL/min，设定微波功率为400W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S9。
优选的，所述步骤S9中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在4mL/min，设定微波功率为500W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S10。
优选的，所述步骤S10中，按照
(X1,Y1),(X1,Y2),(X2,Y2),(X2,Y3),(X3,Y3),(X3,Y4),(X4,Y4),...,(Xn,Yn)的排列组合进行调整，其中，Xn为推进剂流量，Yn为微波功率，启动推进剂流量X1为2L/min，启动功率Y1为300W，Xn+1＝Xn+1,Yn+1＝Yn+100；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S10。
本发明有益效果：相较于传统的催化燃烧技术存在着催化床需要预热、催化床烧结、启动困难等问题，该微波点火方法具有点火能量高，点火可靠，燃烧稳定和燃烧效率高等优势；通过协同调控推进剂流量和微波功率，可以根据数据采集系统输出的温度和火焰长度等来判断点火是否达到需求，并不断修正点火策略，来使得推力器成功启动。
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为本发明实施例所述的协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂微波点火方法流程图。
具体实施方式
下面详细叙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。
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、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例
为了解决目前采用预热催化ADN基液体发动机所面临的实际问题，本实施例方案提出了一种新型微波点火技术。该技术的基本原理是：利用特定频率的微波在谐振腔内产生谐振，从而形成强电磁场，频率很高的电子可以通过与周围粒子的碰撞来得到足够的能量，从而激发原子(分子)发光产生等离子体射流，进而助燃ADN基、HAN基液体推进剂实现点火。。
如图1所示，本实施例中，提供的点火方法，包括如下步骤：
步骤S1：在等离子体炬出口上方放置多个热电偶，利用温度采集单元多点测量待测点处的温度值；
步骤S2：开启固态微波源，设置固态微波源驱动模块为稳态输入，设定微波发射频率以及微波功率；
步骤S3：检测微波发射情况，若反射波正常，则进入步骤S4；
步骤S4：调节阀门控制工质气体流量；
步骤S5：检测离子体射流是否合格，若合格，则进入步骤S6；
步骤S6：协同调控推进剂流量和微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，则进入步骤S11；反之进入步骤S7；
步骤S7：保持推进剂流量不变，降低微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S8；
步骤S8：增加推进剂流量，微波功率同步骤S6中的微波功率，通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S9；
步骤S9：增加推进剂流量和微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S10；
步骤S10：按照等差数列的方式调整推进剂流量和微波功率，通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，则进入步骤S11；反之进入步骤S10；
S11：实现微波等离子体点燃单组元推进剂，即点火成功。
具体的，步骤S1中，在等离子体炬出口上方1～3cm处放置多个热电偶，利用温度采集单元多点测量待测点处的温度值；在等离子体炬出口处垂直放置直尺，用以测量等离子体射流和推进剂火焰的长度。步骤S2中，开启固态微波源，设置固态微波源驱动模块为稳态输入，设定微波发射频率为2.45GHz，微波功率为300W。步骤S3：检测微波发射情况，若反射波异常，即固态微波源中支路的反射功率达到预警值(发射系数超过10％)，即结束点火过程，重复步骤S2，并逐次提高微波功率，每次提升幅度为100W；若否，进入步骤S4。步骤S4：调节阀门控制工质气体流量；步骤S5：发送微波至等离子体炬生成明亮的等离子体射流后且长度h1大于等于3cm，即等离子体射流检测合格，进入步骤S6；反之，若出现等离子体炬内导体尖端出现丝状放电或等离子体射流长度小于3cm，即点火不合格，重复步骤S4。步骤S6：协同调控推进剂流量和微波功率，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在2mL/min，设定微波功率为300W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S7。步骤S7：协同调控推进剂流量和微波功率，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在2mL/min，设定微波功率为400W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S8。步骤S8：协同调控推进剂流量和微波功率，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在3mL/min，设定微波功率为400W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S9。步骤S9：协同调控推进剂流量和微波功率，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在4mL/min，设定微波功率为500W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S10。
步骤S10：按照
(X1,Y1),(X1,Y2),(X2,Y2),(X2,Y3),(X3,Y3),(X3,Y4),(X4,Y4),...,(Xn,Yn)的排列组合进行调整，其中，Xn为推进剂流量，Yn为微波功率，启动推进剂流量X1为2L/min，启动功率Y1为300W，Xn+1＝Xn+1,Yn+1＝Yn+100；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S10。
综上所述，本发明实施例所述的协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂微波点火方法，采用催化燃烧方式实现的推进剂点火，存在点火特性受催化剂性能和预热温度显著影响的问题。例如，ECAPS公司通过对ADN基液体推力器进行地面点火测试发现：当预热温度从大于300℃降到200℃时，点火延迟有增大趋势。当低于200℃时，仍可点火成功，但是发动机点火延迟进一步增大至0.6s。测试结果表明，催化剂性能和预热温度对点火特性影响显著；发动机可能会出现低温开机困难、催化颗粒烧结(造成催化剂活性降低和催化床阻塞)、燃烧压力显著波动等问题。而微波点火方法取消催化床设计，相较于传统的微波点火技术仅电离气相燃料的限制，本发明尤其加入协同喷雾与微波功率的技术方案，对推进剂的供给方式和微波功率的调控方法进行了规范。由于等离子体射流受各种因素的影响，较高或较低的推进剂流量都会对等离子体射流的维持产生影响，比如推进剂流量过高，大量的喷雾液滴附着在等离子射流表面，可能会导致等离子体射流不稳定甚至“熄灭”，因此合适的推进剂流量是必要的。同时推进剂流量与微波功率是相互关联的，即要确保推进剂流量和微波功率是正相关的，本发明提出了一种基于推进剂流量和微波功率的排列组合方式，有效提升了单组元推进剂的点火效率。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种协同调控推进剂流量和微波功率的单组元推进剂点火方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在等离子体炬出口上方放置多个热电偶，利用温度采集单元多点测量待测点处的温度值；
步骤S2：开启固态微波源，设置固态微波源驱动模块为稳态输入，设定微波发射频率以及微波功率；
步骤S3：检测微波发射情况，若反射波正常，则进入步骤S4；
步骤S4：调节阀门控制工质气体流量；
步骤S5：检测离子体射流是否合格，若合格，则进入步骤S6；
步骤S6：协同调控推进剂流量和微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，则进入步骤S11；反之进入步骤S7；
步骤S7：保持推进剂流量不变，增加微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S8；
步骤S8：增加推进剂流量，微波功率同步骤S7中的微波功率，通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S9；
步骤S9：增加推进剂流量和微波功率；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，进入步骤S11；反之进入步骤S10；
步骤S10：按照等差数列的方式调整推进剂流量和微波功率，通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过设定的温度且长度不小于设定的长度，则进入步骤S11；反之进入步骤S10；
S11：实现微波等离子体点燃单组元推进剂，即点火成功；
其中，发送微波至等离子体炬生成明亮的等离子体射流后且长度h1大于等于3cm，即等离子体射流检测合格，进入步骤S6；反之，若出现等离子体炬内导体尖端出现丝状放电或等离子体射流长度小于3cm，即点火不合格，重复步骤S4；
所述步骤S6中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在2mL/min，设定微波功率为300W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S7；
所述步骤S10中，
按照(X1,Y1),(X1,Y2),(X2,Y2),(X2,Y3),(X3,Y3),(X3,Y4),(X4,Y4),...,(Xn,Yn)的排列组合进行调整，其中，Xn为推进剂流量，Yn为微波功率，启动推进剂流量X1为2L/min，启动功率Y1为300W，Xn+1=Xn+1, Yn+1=Yn+100；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S10。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在等离子体炬出口处垂直放置直尺，用以测量等离子体射流和推进剂火焰的长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若反射波异常，即固态微波源中支路的反射功率达到预警值，即结束点火过程，重复步骤S2，并逐次提高微波功率，每次提升幅度为100W。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S7中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在2mL/min，设定微波功率为400W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S8。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S8中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在3mL/min，设定微波功率为400W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S9。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S9中，调节推进剂流量计使推进剂流量维持在4mL/min，设定微波功率为500W；通过微波采集单元实时记录多个检测点推进剂火焰的温度并观测火焰长度，若多个检测点温度均超过800℃且长度h2≥3cm，进入步骤S11；反之进入步骤S10。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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