微波激发等离子体的高能绿色液体推进器点火装置及方法与流程

1.本发明涉及一种液体推力器点火装置及方法，属于空间推进技术领域。


背景技术：

2.近年来发展的“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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。为此，提出一种微波激发等离子体的高能绿色液体发动机点火方法，实现对液体推进剂的直接点火。
7.通过微波照射adn基、han基液体推进剂喷雾场，激发推进剂内的离子电离和adn、han热分解反应，实现液滴等离子点火燃烧。


技术实现要素：

8.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种微波激发等离子体的高能绿色液体推力器及其点火方法，高能绿色液体推力剂包括adn基\han基液体推进剂，解决了发动机低温开机困难、催化颗粒烧蚀和活性降低、高能催化剂无法多次点火、寿命短
的问题。
9.本发明的技术方案是：一种微波激发等离子体的高能绿色液体推进器点火装置，包括：上位机、微波电源、磁控管、环形器、自动调谐器、流量计、贮气罐、流速计、推进剂供给装置、双通道加注装置、冷却水排出装置、冷却水储存罐、负载、台架、谐振腔、钨针、钨针控制装置；
10.微波电源通过传输线与上位机相连，通过上位机控制微波电源传输的功率与输出时间；微波电源为磁控管、环形器和自动调谐器供电，微波电源向磁控管提供功率输出；磁控管产生的微波能量首先被发送到三端口环形器的输入端口一，然后将信号定向传输到环形器的输出端口二，将从磁控管发送的功率传递到自动调谐器，来自微波电源的反射功率被送至负载中消耗，负载的作用为保护微波电源和磁控管；贮气罐和推进剂供给装置分别储存工作用工质气体和推进剂，贮气罐和推进剂供给装置分别用外径12mm的软管与双通道加注装置连接；流量计设置在冷却水供给装置和贮气罐出口处，流速计设置在推进剂供给装置出口处，通过流量计分别控制工质气体和冷却水的输入量，通过流速计控制推进剂的输入量；双通道加注装置固定于台架上，通过双通道加注装置向谐振腔内加注工质气体与推进剂；冷却水排出装置与冷却水供给装置构成冷却系统，为微波电源、磁控管、环形器、自动调谐器、谐振腔提供冷却水。
11.微波电源实时监控磁控管的工作温度、功率输出参数的变化。
12.推进剂供给装置储存adn基或han基液体推进剂。
13.双通道加注装置通过双通道分别进行工质气体与推进剂的加注，双通道加注装置的推进剂供给流体通道与载气流体通道同轴安装，载气流体通道两侧对称设置侧向通道，将侧向通道内通入的工质气体与推进剂同时通入到谐振燃烧室中，双通道加注装置的两侧通道使工质气体均匀分布在谐振腔中，中间的推进剂供给流体通道通入液体推进剂，上面的台架起固定作用，并且与谐振腔紧密结合。
14.钨针和钨针控制装置在谐振腔的内部；在谐振腔中微波发生谐振并电离工质气体，从而形成微波等离子体炬，将推进剂点燃。
15.所述微波激发等离子体的高能绿色液体推进器的点火方法，包括步骤如下：
16.步骤1：打开冷却水供给装置开关。
17.步骤2：等到冷却水在装置中循环流出时打开微波电源开关，利用上位机对微波电源进行控制，包括输入功率、脉冲、最大电压以及最小电压等参数的设置。
18.步骤3：利用流量计控制贮气罐的流量输出，通入氮气到谐振腔中，直至谐振腔上方有稳定的气流存在。
19.步骤4：打开钨针控制装置的开关，钨针上移至谐振腔中央，等到谐振腔中央有放电和火光发生，关闭钨针控制装置。
20.步骤5：打开推进剂供给装置开关，调节流量范围在25ml/min到45ml/min之间，当观察到谐振腔上方有黄绿色射流火焰时，即点火成功。
21.步骤6：关闭控制贮气罐和推进剂供给装置的开关。
22.步骤7：关闭微波电源和上位机。
23.步骤8：关闭冷却水供给装置开关。
24.本发明与现有技术相比的有益效果是：
25.(1)本发明无需装填催化剂颗粒，避免了预热催化方式的高能绿色液体发动机普遍存在的发动机低温开机困难、催化颗粒烧蚀和活性降低等问题。
26.(2)本发明在微波照射范围内符合点火条件的液滴均可点火，实现空间多点点火，提高开机点火可靠性和响应速度。
27.(3)本发明可对微波功率、频率、喷雾等参数进行控制，能够增加点火控制灵活性。
28.(4)本发明通过载气的等离子体化，能够将微波能量注入到高能绿色推进剂中，能够提高推力器比冲。
29.(5)本发明可以实现谐振腔内钨针的自由移动，既可以避免钨针对谐振腔内推进剂燃烧过程的干扰，又可以实现探针的重复利用。
附图说明
30.图1为本发明的结构图；
31.图2为本发明中谐振腔内部装置示意图；
32.图3为本发明中双通道加注装置示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
34.该装置的工作原理可以形容为：利用特定频率(2.45ghz)的微波在谐振腔内产生谐振，此时矩形波导将微波传输到谐振腔。流过谐振腔内的工质气体(如氦气、氮气等)将吸收微波电磁能，进而激发、离解并电离产生大量微波等离子体，形成等离子体炬点燃燃料。当在特定微波频段(如2.45ghz，3ghz)时，电磁辐射与等离子体之间的作用一般为集体相互作用，此时的等离子体并不像其他方法产生的等离子体那样以单个电子与电磁辐射耦合，而是作为一种介电媒质与电磁场能量进行耦合。微波等离子体产生的过程即是工质被击穿的过程，气体中的电子因吸收了电磁能量而加速运动并以非弹性碰撞的方式与附近的气体分子发生能量的损失与交换过程，气体分子进而经历激发、解离和电离过程产生大量的自由电子和离子，此时外界电磁场会因此而受到影响，并导致等离子体电离参数发生变化。电子数量同时又会通过扩散，附着或自吸收效应逐渐减少，当电子的新生数量等于或大于损失的数量时，就可以使工质气体被击穿。由于谐振腔中的磁场对运动的电子产生洛伦兹力的作用，电子得到一定的能量，高能量的电子使周围的气体发生电离形成等离子体。
35.如图1～3所示，在本实施例中，本发明的点火装置包括上位机1、微波电源2、磁控管3、环形器4、自动调谐器5、流量计6、贮气罐7、流速计8、adn基推进剂供给装置9、双通道加注装置10、冷却水排出系统11、冷却水供给装置12、负载13、台架14、谐振腔15、钨针16和钨针控制装置17。
36.上位机1：负责基本参数的控制，包括输出功率、最大输出效率和输出时间等。
37.微波电源2：1)给磁控管3提供电力能量；2)实时监控磁控管的工作温度、功率输出等参数的变化。
38.磁控管3：磁控管3是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发
生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。
39.环形器4：环形器4是一种多端口器件，微波在其中只可沿单向传输，反方向被隔离。本发明所使用的为三端口环形器，用来连接冷却水循环系统，微波由微波源产生后，从端口一输入，端口二输出，端口三吸收被负载端反射的微波，进而保护微波发生系统。
40.自动调谐器5：自动调谐器用来匹配电路的阻抗，以最大化传输到谐振器的功率。
41.流量计6和流速计8：负责控制工质气体和推进剂的流量。
42.贮气罐7：用以储存氮气/氦气/氩气/空气之中任意一种。
43.推进剂供给装置9：负责储存adn推进剂或han基液体推进剂。
44.双通道加注装置10：一种加注装置，双通道的设计使得工质气体与adn基推进剂可以分别加注，保证了工质气体的均匀分布以及其同adn基推进剂的匹配。
45.冷却水排出系统11和冷却水供给装置12：负责整个装置的冷却水供给与排出，以便于工作中对装置进行冷却。
46.负载13：环形器4的阻抗匹配工作，保护环形器4。
47.台架14：对双通道加注装置起固定作用。
48.谐振腔15：谐振腔15包括谐振腔，钨针16和固定装置17。在该装置中微波发生谐振，电离工质气体从而形成微波等离子体炬，将adn基推进剂点燃。
49.钨针16：一种导电性较高的探针，能够击穿电场形成等离子体。
50.钨针控制装置17：固定钨针的推拉式电磁铁，可利用开关实现钨针的上下移动。
51.微波电源2通过传输线与上位机1相连，通过上位机1控制微波电源2传输的功率与输出时间；微波电源2为磁控管3、环形器4和自动调谐器5供电，微波电源2向磁控管3提供功率输出；磁控管3产生的微波能量首先被发送到三端口环形器4的输入端口一，然后将信号定向传输到环形器4的输出端口二，将从磁控管3发送的功率传递到自动调谐器5，来自微波电源的反射功率被送至负载13中消耗，负载13的作用为保护微波电源2和磁控管3；贮气罐7和推进剂供给装置9分别储存工作用工质气体和推进剂，贮气罐7和推进剂供给装置9分别用外径12mm的软管与双通道加注装置10连接；流量计6设置在冷却水供给装置12和贮气罐7出口处，流速计8设置在推进剂供给装置9出口处，通过流量计6分别控制工质气体和冷却水的输入量，通过流速计8控制推进剂的输入量；双通道加注装置10固定于台架14上，通过双通道加注装置10向谐振腔15内加注工质气体与推进剂；冷却水排出装置11与冷却水供给装置12构成冷却系统，为微波电源2、磁控管3、环形器4、自动调谐器5、谐振腔15提供冷却水。
52.微波电源2实时监控磁控管3的工作温度、功率输出参数的变化。
53.推进剂供给装置9储存adn基或han基液体推进剂。
54.双通道加注装置10通过双通道分别进行工质气体与推进剂的加注，双通道加注装置10的推进剂供给流体通道与载气流体通道同轴安装，载气流体通道两侧对称设置侧向通道101，将侧向通道101内通入的工质气体与推进剂同时通入到谐振燃烧室中，双通道加注装置10的两侧通道使工质气体均匀分布在谐振腔15中，中间的推进剂供给流体通道102通入液体推进剂，上面的台架14起固定作用，并且与谐振腔15紧密结合。
55.钨针16和钨针控制装置17在谐振腔15的内部；在谐振腔15中微波发生谐振并电离工质气体，从而形成微波等离子体炬，将推进剂点燃。
56.所述微波激发等离子体的高能绿色液体推进器的点火方法，包括步骤如下：
57.步骤1：打开冷却水供给装置12开关。
58.步骤2：等到冷却水在装置中循环流出时打开微波电源2开关，利用上位机1对微波电源2进行控制，包括输入功率、脉冲、最大电压以及最小电压等参数的设置。
59.步骤3：利用流量计6控制贮气罐7的流量输出，通入氮气到谐振腔15中，直至谐振腔15上方有稳定的气流存在。
60.步骤4：打开钨针控制装置17的开关，钨针上移至谐振腔15中央，等到谐振腔15中央有放电和火光发生，关闭钨针控制装置17。
61.步骤5：打开推进剂供给装置9开关，调节流量范围在25ml/min到45ml/min之间，当观察到谐振腔15上方有黄绿色射流火焰时，即点火成功。
62.步骤6：关闭控制贮气罐7和推进剂供给装置9的开关。
63.步骤7：关闭微波电源2和上位机1。
64.步骤8：关闭冷却水供给装置12开关。
65.设计一套独特的耦合装置，即钨针可以实现自由移动。当磁控管3启动时，钨针16置于谐振腔中部，即经理论计算得出的电磁能量最高的地方；而当点火完成，等离子体火焰稳定后，控制开关实现钨针移动至燃烧室下侧。设计目的是为了避免钨针位于谐振燃烧室中，受到等离子体火焰的长时间灼烧发生变形磨损等问题。
66.微波(被传输功率最大化输出的目标微波)离开自动调谐器5的微波能量进入谐振腔15。微波继续传播直到在尾端处被反射，并在谐振腔15内产生驻波。在谐振腔15与双通道加注装置14交接处特意设计了一种耦合装置，耦合装置主要结构由钨针16和钨针控制装置17组成，可以在等离子体炬尖端的合成电场被放大并引发击穿。
67.为了维持微波放电的发生，微波需要一直开启，以此有效地向等离子体传递能量。因此,流速计和流量计需要在很宽的流量范围内调节单组元推进剂和工质气体，以观察最佳操作条件。
68.当微波达到等离子矩时，打开控制工质气体的流量计6(氮气从氮气罐7中释放出来)，工质气体经过上述一系列电离过程最终产生等离子体火焰，然后通过推进剂供给装置9按照一定流速25～45ml/min(由流速计8控制)通入单组元推进剂，推进剂会被工质气体产生的等离子体火焰点燃，证明微波点火在空间发动机中的测试是可行的。在之后的实验中，继续控制流量计6关闭工质气体通道，观察无工质气体助燃的情况下高能绿色单组元推进剂是否能成功点火。
69.此外，当微波功率超过500w以上，微波电源2和磁控管3等装置便会存在温度过高的问题，需要额外的冷却方式来保护整套装置能够在不受过热的情况下正常运转，因此增加了冷却系统，冷却系统由冷却水供给系统和冷却水排出系统组成。冷却供给系统由以下部分实施：冷却水由一个单独的水泵出发，流经微波电源2、磁控管3、谐振腔15等装置；最后冷却水由谐振腔装置末端的冷却水排出装置11流出，实现及时冷却的目的。加入氦气的主要原因是由于高能绿色液体推进剂很难直接点燃，为了能够实现高能绿色单组元推进剂的成功点火，需要借助氦气等一些惰性气体的助燃效果，由于氦气产生的等离子体火焰可高达上千度，很容易达到高能绿色推进剂的燃点，因此选择氦气作为助燃气体。
70.本发明设计一套排水冷却系统。针对于微波激励等离子体燃烧过程中微波电源、磁控管和波导组件等存在过热的情况，利用冷却水供给装置的实时供水为各部分装置提供
水冷达到降温的目的。由微波电源作为进水口，依次途径磁控管、波导管和谐振腔，中间由特殊设计的冷却水管道连接。最终由谐振腔末端的出水口流出。
71.馈入微波频率应与谐振腔15频率相匹配：根据谐振腔谐振频率f的表达式利用微波频率(2.45ghz)和确定谐振腔的半径或者长度，求得谐振腔整体结构参数；
72.其中，μ和ε为谐振腔15内气体介质的磁导率和电导率，r为谐振腔15腔体内半径，l为谐振腔15腔体高度。
73.下面以一个典型的微波点火实施例进行说明：
74.如图1所示，装置整体连接完毕后，启动冷却装置检查该装置是否能够正常运行。通入氦气，制造微波点火装置所需气体条件。通过上位机控制微波电源，调整输入功率为800w，检测微波发生情况。
75.待微波稳定于2.45ghz的频率后，观察谐振腔内微波等离子体炬生成情况。可通过改变输入功率与氦气输送流量调整装置反应程度。待出现稳定的等离子体炬后，以25ml/min通入adn基推进剂，观察反应情况，成功点燃后可逐步调整推进剂输入流量，达到稳定燃烧的目的。
76.为了使氦气与高能绿色推进剂能够完美的匹配，设计了一个全新的加注装置，如图2所示，整个加注装置分别由左右两侧管道、中间双通道组成，固定于台架14之上。其中左右两侧通入氦气，使氦气均匀分布在外通道中，中间的内通道通入高能绿色液体推进剂。台架在固定加注装置的同时与谐振腔紧密结合。当通入氦气后，微波击穿氦气产生等离子体火焰，此时等离子体火焰主要分布在外通道内，而后通入高能绿色推进剂，进而由外围的氦气等离子体火焰点燃高能绿色推进剂，实现助燃的目的。这种加注方法的优点在于能够隔离氦气和高能绿色推进剂,在后续实验中可以观察无氦气助燃的情况下高能绿色单组元推进剂是否能成功点火，即直接电离高能绿色推进剂的可行性。
77.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。