CN116669269B - 一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统。实施方式的多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统包括：线性伺服驱动模块，其作为静电探针模块结构载体，以线性移动的形式驱动静电探针多点位采集火箭燃烧等离子体电流，提升系统数据采集多样性；静电探针模块，包括多种朗缪尔探针，用于收集等离子体电流多种朗缪尔探针具有冗余形式，提升系统数据采集完整性；电源模块，为静电探针提供扫描电压及偏置电压；数据采集模块，连接静电探针采集等离子体电流数据；数据处理模块，结合扫描电压和偏置电压与等离子体电流，依据离子运动模型计算等离子体特性；上位机模块，显示其他模块的工作状态，设置控制指令，显示数据与计算结果；触发模块，接收外部系统试验开始统一触发信号，触发系统中相关模块动作。通过本发明，可以直接快速获得火箭燃烧等离子体特性，同时，静电探针的冗余形式可以提升诊断的完整性，配合线性伺服驱动可以提升诊断的多样性，完成在常压下对火箭燃烧等离子体特性进行诊断。

Description

一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统
技术领域
本发明涉及等离子体特性诊断技术领域，具体涉及一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统。
背景技术
试验和研究表明，诊断等离子体特性的方法主要分为非接触法和接触法两大类。非接触法有微波透射法、光谱法、激光诊断法、质谱法等，非接触法诊断其优点是不对等离子体产生扰动，一般用来对小范围或非均匀，等离子体进行精确诊断，而且具有适应性强、测得的数据精确、诊断速度快、对波源要求不高等优点。但是，非接触法诊断的应用环境及计算模型为低温真空等离子体或低温低压等离子体，且应用此类方法数据处理复杂，需要通过建立模型来进行计算，计算方法较少且误差较大，一般只把其计算结果作为参考。
接触式诊断方法主要有朗缪尔探针法和阻抗诊断法，其中，朗缪尔探针法的应用最广、装置结构最简单以及可测得的等离子体参数信息最丰富，其工作原理是：通过在外部对伸入等离子体的静电探针(朗缪尔探针)施加一定范围的扫描电压和偏置电压，并在不同的电压时刻收集探针上的电流和电压大小，从而得到一条电流-电压(I-V)特性曲线，对这一曲线进行分析、计算，就可得到等离子体参数信息。朗缪尔探针不仅可以诊断低温低压等离子体特性，也可对常压下等离子体特性进行诊断。朗缪尔探针依据探针数量可分为朗缪尔单探针、双探针和三探针，朗缪尔单探针和双探针通过分析施加在探针上的扫描电压与离子运动电流关系，可以准确计算等离子体特性，朗缪尔三探针通过分析施加在探针上的偏置电压与瞬时离子运动电流，快速计算等离子体特性。
等离子体的关键特性主要有：电子密度、离子密度、电子温度、电子能量分布函数、离子能量分布参数等，综合实验和研究表明，朗缪尔探针能够诊断的等离子体参数最多，且其装置结构简单、使用方便、空间分辨率高，优势明显。
在对火箭燃烧特性研究中，等离子体特性为燃烧组分分析、燃烧效率分析、发动机运行性能分析等分析的基础数据，火箭燃烧试验压力条件为常压。截至目前，国内外并没有以接触法诊断火箭燃烧等离子体特性的实施方法，结合试验条件，并避免非接触式诊断方法的不足，本发明采用朗缪尔探针对等离子体特性进行诊断，结合一种线性伺服驱动平台，提升系统数据采集多样性。
发明内容
本发明的目的在于通过直接接触式方法快速获得火箭燃烧等离子体特性，同时，静电探针的冗余形式可以提升诊断的稳定性，线性移动的形式可以提升诊断的多样性，完成在常压下对火箭燃烧等离子体特性进行诊断。
为达到上述目的，本发明的实施方式的多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统包括：线性伺服驱动模块，其作为静电探针模块结构载体，以线性移动的形式驱动静电探针多点位采集火箭燃烧等离子体电流，提升系统数据采集多样性；静电探针模块，包括多种朗缪尔探针，用于收集等离子体电流多种朗缪尔探针具有冗余形式，提升系统数据采集完整性；电源模块，为静电探针提供扫描电压及偏置电压；数据采集模块，连接静电探针采集等离子体电流数据；数据处理模块，结合扫描电压和偏置电压与等离子体电流，依据离子运动模型计算等离子体特性；上位机模块，显示其他模块的工作状态，设置控制指令，显示数据与计算结果；触发模块，接收外部系统试验开始统一触发信号，触发系统中相关模块动作。
作为本发明的一种优选方案，
线性伺服驱动模块，主要包括，
静电探针承载机构，静电探针的夹持机构及支撑机构采用高碳钢材料，防止高温变形；
高精度伺服驱动器及伺服电机，伺服电机旋转精度不大于1毫米，伺服电机与伺服控制器或可编程逻辑控制器(PLC)形成闭环控制回路；
可编程逻辑控制器(PLC)，发布控制指令，具有与上位机通讯的串行接口，具有接收触发指令的触发接口；
手动控制箱，在手动模式下对伺服驱动模块进行运动调试。
作为本发明的一种优选方案，
静电探针模块，主要包括，
朗缪尔单探针、双探针及三探针三种静电探针，探针由金属钨丝与绝缘陶瓷管组成，三种探针同时收集等离子体电流，以双探针收集的等离子电流作为主要数据分析来源，单探针、三探针收集的等离子体电流作为数据补充，形成一种冗余形式；
朗缪尔单探针P1，朗缪尔双探针P2和P3，朗缪尔三探针P4、P5和P6分布在一条直线上，朗缪尔双探针在分布线中间位置，朗缪尔三探针呈三角形阵列。分布线与火箭燃烧尾焰中心轴线垂直；
通过电源模块为朗缪尔单探针P1，朗缪尔双探针P2和P3提供扫描电压，为朗缪尔三探针P4、P5和P6提供偏置电压；
通过数据采集模块采集朗缪尔探针收集的等离子体电流数据。
作为本发明的一种优选方案，电源模块至少具有三个相互隔离的直流电压输出通道，每个通道输出电压范围为-150Vˉ150V，扫描电压的最小输出周期不大于100ms。
作为本发明的一种优选方案，数据采集模块包括滤波电路、跨阻放大电路、差分放大电路，数据采集通道与电源模块的电压输出通道隔离，数据采集模块采样频率最高可达1MHz。
作为本发明的一种优选方案，数据处理模块，以电场中等离子体的运动规律为计算模型，结合电源模块输出的扫描电压和偏置电压与静电探针收集的等离子体电流数据，计算等离子体特性。
作为本发明的一种优选方案，上位机模块，显示其他模块的工作状态，设置控制指令，显示数据与计算结果。
作为本发明的一种优选方案，触发模块，接收外部系统试验开始统一触发信号，触发系统中相关模块动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1是表示本发明的探针布局示意图；
图2是表示本发明的系统连接示意图；
图3是表示本发明的朗缪尔单探针典型I-V曲线示意图；
图4是表示本发明的朗缪尔双探针典型I-V曲线示意图；
图5是表示本发明的系统工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，在各图中，对同一结构标注相同符号。为了便于说明，将结构适当地放大、缩小或省略地表示。
下面，通过图1、图2、图3、图4对本发明的多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法进行说明。
本发明旨在直接快速获得火箭燃烧等离子体特性，同时，静电探针的冗余形式可以提升诊断的完整性，配合线性伺服驱动可以提升诊断的多样性，完成在常压下对火箭燃烧等离子体特性进行诊断。其主要的技术难点在于：
常规的非接触式等离子体诊断方法应用环境及计算模型为低温真空等离子体或低温低压等离子体，且应用此类方法数据处理复杂，需要通过建立模型来进行计算，计算方法较少且误差较大，对于火箭燃烧等离子体特性诊断，常规的光学方式也容易受到自然光影响导致诊断数据存在偏差。
朗缪尔单探针、三探针多应用于真空或低压条件下的等离子体特性诊断，在航天领域应用朗缪尔探针诊断离子推进器羽流流场特性也是在近似真空条件下进行的。从理论角度上，朗缪尔双探针可以诊断常压下等离子体特性，此种技术手段实际应用较少，在诊断火箭燃烧等离子体特性应用更加少见。
基于以上技术难点，本发明根据实际试验，提出了一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统，具体如下：
如图2所示，本发明提出了一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断方法及系统，包括线性伺服驱动模块202，其作为静电探针模块203结构载体，以线性移动的形式驱动静电探针多点位采集火箭燃烧等离子体电流，提升系统数据采集多样性；静电探针模块203，包括多种朗缪尔探针，用于收集等离子体电流多种朗缪尔探针具有冗余形式，提升系统数据采集完整性；电源模块204，为静电探针提供扫描电压及偏置电压；数据采集模块205，连接静电探针采集等离子体电流数据；数据处理模块206，结合扫描电压和偏置电压与等离子体电流，依据离子运动模型计算等离子体特性；上位机模块207，显示其他模块的工作状态，设置控制指令，显示数据与计算结果；触发模块208，接收外部系统试验开始统一触发信号，触发系统中相关模块动作。
线性伺服驱动模块202，主要包括，
静电探针承载机构，静电探针的夹持机构101及支撑机构采用高碳钢材料，防止高温变形。
高精度伺服驱动器及伺服电机，伺服电机旋转精度不大于1毫米，伺服电机与伺服控制器或可编程逻辑控制器(PLC)形成闭环控制回路；
可编程逻辑控制器(PLC)，发布控制指令，具有与上位机207通讯的串行接口，具有接收触发指令的触发接口；
手动控制箱2021，在手动模式下对伺服驱动模块进行运动调试。
静电探针模块203，主要包括，
朗缪尔单探针102、双探针103及三探针104三种静电探针，探针由金属钨丝与绝缘陶瓷管组成，三种探针同时收集等离子体电流，以双探针收集的等离子电流作为主要数据分析来源，单探针、三探针收集的等离子体电流作为数据补充，形成一种冗余形式，提升系统数据采集完整性；
朗缪尔单探针P1 1021，朗缪尔双探针P2 1031和P3 1032，朗缪尔三探针P4 1041、P5 1042和P6 1043分布在一条直线上，伸入到火箭燃烧尾焰201中，朗缪尔双探针在分布线中间位置，朗缪尔三探针呈三角形阵列，分布线与火箭燃烧尾焰中心轴线垂直；
通过电源模块204为朗缪尔单探针P1 1021，朗缪尔双探针P2 1031和P3 1032提供扫描电压，为朗缪尔三探针P4 1041、P5 1042和P6 1043提供偏置电压；
通过数据采集模块205采集朗缪尔探针收集的等离子体电流数据。
采用一种朗缪尔探针与伺服驱动相结合的模式，在伺服机构线性移动时带动朗缪尔探针移动，实时采集火箭燃烧尾焰不同位置的等离子体电流。
电源模块204至少具有三个相互隔离的直流电压输出通道，每个通道输出电压范围为-150Vˉ150V，扫描电压的最小输出周期不大于100ms。
数据采集模块205包括滤波电路、跨阻放大电路、差分放大电路，实现数据采集通道与电源模块204的电压输出通道隔离，数据采集模块205采样频率最高可达1MHz。
数据处理模块206，以电场中等离子体的运动规律为计算模型，结合电源模块204输出的扫描电压和偏置电压与静电探针收集的等离子体电流数据，计算等离子体特性。
如图3所示，由电源模块204输出电压与朗缪尔单探针收集的等离子体电流典型曲线，根据电场中等离子体的运动规律为计算模型计算等离子体特性中，电子温度Te的基本计算公式为，
电子密度ne，离子密度ni的基本计算公式为，
如图4所示，由电源模块204输出电压与朗缪尔双探针收集的等离子体电流典型曲线，根据电场中等离子体的运动规律为计算模型计算等离子体特性中，离子密度ni的基本计算公式为，
朗缪尔三探针计算等离子体特性中，离子密度ni的基本计算公式为，
上位机模块207，显示其他模块的工作状态，设置控制指令，显示数据与计算结果。
在上位机的GUI界面可以设置线性伺服驱动模块203的运行参数，如运行速度、运行距离、启停时序等。
在上位机的GUI界面可以设置静电探针模块202的数据采集参数，如环境条件参数、探针尺寸参数等。
在上位机的GUI界面可以设置电源模块204的输出电压参数，如输出电压幅值、输出电压频率，输出电压步长等。
在上位机的GUI界面可以设置数据采集模块205的采集参数，如采样频率、采样时间等。
在上位机的GUI界面可以显示静电探针的I-V曲线。
在上位机的GUI界面可以显示等离子体特性计算结果。
在上位机的GUI界面可以显示线性伺服驱动模块203的移动位置。
在上位机的GUI界面可以导出系统数据，包括但不限于电源模块204输出的扫描电压、偏置电压与数据采集模块205采集的等离子体运动电流数据对应关系数据、等离子体特性计算结果数据、伺服驱动模块203的移动位置数据。
触发模块208，接收外部系统试验开始统一触发信号，触发系统中相关模块动作。
如图5所示，系统工作流程为，
首先，在步骤S1中，通过上位机模块207完成对线性伺服驱动模块202、静电探针模块203、电源模块204、数据采集模块205的参数设置。完成设置后，等待系统试验开始统一触发信号触发模块208。
当触发模块208没有被系统试验开始统一触发信号触发，进入步骤S2，检查系统参数设置及系统试验开始统一触发信号连接。
当触发模块208被系统试验开始统一触发信号触发，进入步骤S3，线性伺服驱动模块203按设定参数运行；电源模块204按设定参数对静电探针模块202施加直流电压；数据采集模块205按设定参数采集等离子体电流数据；数据处理模块206对数据采集模块205采集的数据按计算模型计算等离子体参数；上位机模块207显示模块的工作状态，显示数据与计算结果。
在步骤S4中，试验结束后，操作上位机模块207导出试验数据并保存。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (2)

1.一种多点冗余火箭燃烧等离子体诊断系统，其特征在于，包括：
线性伺服驱动模块，其作为静电探针模块结构载体，以线性移动的形式驱动静电探针多点位采集火箭燃烧等离子体电流，提升系统数据采集多样性；
静电探针模块，包括多种朗缪尔探针，用于收集等离子体电流，多种朗缪尔探针具有冗余形式，提升系统数据采集完整性；
电源模块，为静电探针提供扫描电压及偏置电压；
数据采集模块，连接静电探针采集等离子体电流数据；
数据处理模块，结合扫描电压和偏置电压与等离子体电流，依据离子运动模型计算等离子体特性；
上位机模块，显示其他模块的工作状态，设置控制指令，显示数据与计算结果；
触发模块，接收外部系统试验开始统一触发信号，触发系统中相关模块动作；
线性伺服驱动模块，主要包括，
静电探针承载机构，其中静电探针的夹持机构及支撑机构采用高碳钢材料，防止高温变形；
高精度伺服驱动器及伺服电机，伺服电机旋转精度不大于1毫米，伺服电机与伺服控制器或可编程逻辑控制器（PLC）形成闭环控制回路；
可编程逻辑控制器（PLC），发布控制指令，具有与上位机通讯的串行接口，具有接收触发指令的触发接口；
手动控制箱，在手动模式下对伺服驱动模块进行运动调试；
静电探针模块，主要包括，
朗缪尔单探针、双探针及三探针三种静电探针，探针由金属钨丝与绝缘陶瓷管组成，三种探针同时收集等离子体电流，以双探针收集的等离子电流作为主要数据分析来源，单探针、三探针收集的等离子体电流作为数据补充，形成一种冗余形式；
朗缪尔单探针P1，朗缪尔双探针P2和P3，朗缪尔三探针P4、P5和P6分布在一条直线上，朗缪尔双探针在分布线中间位置，朗缪尔三探针呈三角形阵列，分布线与火箭燃烧尾焰中心轴线垂直；
通过电源模块为朗缪尔单探针P1，朗缪尔双探针P2和P3提供扫描电压，为朗缪尔三探针P4、P5和P6提供偏置电压；
通过数据采集模块采集朗缪尔探针收集的等离子体电流数据；
电源模块至少具有三个相互隔离的直流电压输出通道，每个通道输出电压范围为-150V~150V，扫描电压的最小输出周期不大于100ms；
数据采集模块包括滤波电路、跨阻放大电路、差分放大电路，数据采集通道与电源模块的电压输出通道隔离，数据采集模块采样频率最高可达1MHz。
2.根据权利要求1所述的多点冗余火箭燃烧等离子体诊断系统的诊断方法，其特征在于，数据处理模块，以电场中等离子体的运动规律为计算模型，结合电源模块输出的扫描电压和偏置电压与静电探针收集的等离子体电流数据，计算等离子体特性；
在步骤S1中，通过上位机模块完成对线性伺服驱动模块、静电探针模块、电源模块、数据采集模块的参数设置；完成设置后，等待系统试验开始统一触发信号触发触发模块；
当触发模块没有被系统试验开始统一触发信号触发，进入步骤S2，检查系统参数设置及系统试验开始统一触发信号连接；
当触发模块被系统试验开始统一触发信号触发，进入步骤S3，线性伺服驱动模块按设定参数运行；电源模块按设定参数对静电探针模块施加直流电压；数据采集模块按设定参数采集等离子体电流数据；数据处理模块对数据采集模块采集的数据按计算模型计算等离子体参数；上位机模块显示其他模块的工作状态，显示数据与计算结果；
在步骤S4中，试验结束后，操作上位机模块导出试验数据并保存。
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