CN102877985A

CN102877985A - 使用等离子体发生器实现点火的硼基固体燃料推进器

Info

Publication number: CN102877985A
Application number: CN2012103441774A
Authority: CN
Inventors: 周俊虎; 刘建忠; 汪洋; 张彦威; 杨卫娟; 王智化; 程军; 黄镇宇; 周志军; 岑可法
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明涉及推进器技术，旨在提供一种使用等离子体发生器实现点火的硼基固体燃料推进器。包括进气道、燃气发生器、补燃室和尾喷管，燃气发生器内装硼基固体燃料，在燃气发生器的末端设置等离子体发生器，其等离子体喷射口对准固体燃料；该推进器还包括用于调节等离子体发生器功率的电气控制调节***和用于实现冷却的冷却水***。本发明中等离子发生过程稳定，可以在一定时间内提供高密度热量，相比于传统点火药应用于硼基固体燃料推进剂的点火可以不受运行时间的限制；相比于传统点火药温度大大提高，完全可实现硼基固体燃料的点燃；通过功率调节***可以精确调节等离子体的点火功率，从而适应不同装药量的硼基固体燃料推进器。

Description

使用等离子体发生器实现点火的硼基固体燃料推进器

技术领域

本发明涉及推进器技术，特别涉及固体火箭推进器。

背景技术

目前固体火箭冲压发动机（固体燃料推进器）中的固体燃料主要是利用点火药进行引燃。点火药主要由氧化剂、可燃剂及黏结剂组成，物理化学性能稳定，对热冲击敏感，具有足够的点火能力。将点火药装填于点火器中，使用电火花将其点燃，释放出大量热量加热固体推进剂，从而使之着火和燃烧。采用这种方法需要在燃气发生器中专门开辟部分空间用于放置点火药，从而减小了推进剂的填装量。并且使用点火药引燃的方法使推进剂具有较大的点火延迟，降低了反应的灵敏性。

由于硼具有高质量热值、高体积热值、两相流损失小、燃烧分散性好、喷管喉部沉积少、喷射效率高等优异性能，使硼基固体燃料推进剂有可能成为固体燃料推进器的首选燃料。但硼的熔点和沸点较高，难以熔化和汽化，实际应用中存在点火困难，点火温度高，点火延迟时间长等问题。

因此如何实现硼基固体燃料的顺利点火和燃烧显得尤为重要。现有的硼基固体燃料点火方法难以实现以上要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种硼基固体燃料推进器等离子体点火装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：抛弃传统的点火药引燃点火方式，在固体燃料推进器中引入等离子体发生器，利用等离子体发生器产生的高温等离子体直接点燃硼基固体燃料。

本发明提供了一种使用等离子体发生器实现点火的硼基固体燃料推进器，包括进气道、燃气发生器、补燃室和尾喷管，燃气发生器内装填固体燃料；所述固体燃料是硼基固体燃料，在燃气发生器的末端设置等离子体发生器，其等离子体喷射口对准固体燃料；该推进器还包括用于调节等离子体发生器功率的电气控制调节***和用于实现冷却的冷却水***；其中，电气控制调节***包括可编程逻辑控制器、电位器、继电器和接触器，电位器与继电器并联后经可编程逻辑控制器与电源串联，同时电位器和继电器的两端分别引出导线接于等离子体发生器的开关；点火时，控制器通过继电器打开等离子体发生器，在点火过程中，控制器通过电位器动态调节等离子体发生器的功率；冷却水***包括冷却水箱和水泵，水泵出口经管路接至设于燃气发生器和等离子体发生器上的进水口，燃气发生器和等离子体发生器上的出水口进管路接于冷却水箱。

本发明中，所述等离子体发生器包括阳极和阴极；其中，阴极为阴极棒，其底端设压缩空气进口；阳极为阳极环，位于阴极棒的远端，一个线圈位于两者之间。

本发明中，所述等离子体发生器的供电电路包括：依次连接的逆变器、高压变压器、高压整流模块和高压滤波模块，其中逆变器接于推进器的内置电源，高压滤波模块分别接于等离子体发生器的阳极和阴极；所述高压变压器的高压是指其输出电压为380V，高压整流模块和高压滤波模块的高压是指工作电压为380V。逆变器用于将大型蓄电池的低压直流变为低压交流，高压变压器用于将低压交流变为高压交流，高压整流模块和高压滤波模块用于将高压交流变为高压直流。

本发明中，所述推进器的内置电源是蓄电池。

在去除了点火药的装配和引燃***之后，在总体积不变的情况下增加了推进剂的填充量，并且减小了点火延迟。

本发明专利中等离子体发生器点火装置可提供高温高压的等离体，克服传统点火装置的诸多问题，优势明显：

1.等离子发生过程稳定，可以在一定时间内提供高密度热量，相比于传统点火药应用于硼基固体燃料推进剂的点火可以不受运行时间的限制；

2.最高点火温度可达5000K以上，相比于传统点火药温度大大提高，完全可实现硼基固体燃料的点燃；

3.通过功率调节***可以精确调节等离子体的点火功率，从而适应不同装药量的硼基固体燃料推进器；

4.本点火方式与燃料自身的理化性能无关，不受硼基固体燃料的配方的限制，可以应用于各种不同的推进剂类型；

5.等离子体发生器由电气***控制，开关实现简单方便可靠，提高了推进器点火装置安装与拆卸的安全性；

6.本装置属于高速点火方式，响应灵敏，反应迅速，可用于瞬间完成硼基固体燃料推进剂的点燃。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

图1是用等离子发生器实现含硼固体燃料点火的装置结构图。

图2是等离子发生器电路图。

图3是等离子发生器结构图。

图4是用等离子体发生器实现硼基固体燃料推进器点火初期的运行示意图。

图5是用等离子体发生器实现硼基固体燃料推进器点火过渡阶段的运行示意图。

图6是用等离子体发生器实现硼基固体燃料推进器点火自维持稳定燃烧阶段的运行示意图。

图中各附图标记为：1进气道，2燃气发生器，3等离子体发生器，4固体燃料，5补燃室，6尾喷管，7逆变器，8高压变压器，9高压整流模块，10高压滤波模块，11阳极，12阴极，13进水口，14出水口，15水泵，16冷却水箱，17压缩空气进口，18电源，19阴极棒，20线圈，21电弧，22阳极环，23等离子体。

具体实施方式

本发明专利是一种应用于推进器的硼基固体燃料点火技术。通过利用大功率等离子体发生器作为点火设备，加热置于推进器内的硼基固体燃料，并通过与等离子体发生器相连的电源和电气调节设备，对其启停和功率调节进行控制。

点火***由等离子体发生器、电气控制调节***、水冷却***和燃烧喷射***组成。

等离子体发生器利用直流电流在介质气压大于0.12MPa的条件下采用高频引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体，其温度可达5000K以上。

电气控制调节***由PLC、电位器、继电器、接触器等组成，通过控制电路调节继电器、接触器的开关，改变电位器位置，从而实现等离子体发生器功率的精确调节。除了手动调节以外，可使用PLC编程实现功率的自动调节。

由于该点火装置加热温度最高可达5000K，为了防止温度过高损坏等离子体发生器，需要安装水冷却***。由水泵提供冷却水，进水管和出水管完成冷却水的循环。等离子体发生器壁上下端面焊接有水冷管，在运行中和运行结束后实现壁面的冷却，保证点火装置的正常运行。

燃烧喷射***主要由尾喷管构成，是一个缩放喷嘴，与补燃室相连。由于出口截面积的突然减小，使补燃室二次燃烧产物的喷射速度迅速增加，气相和固相产物产生较大推力，为硼基固体燃料推进器提供动力。

下面结合附图，对本发明的实现方式详细描述。

硼基固体燃料推进器包括进气道1、燃气发生器2、补燃室5和尾喷管6，燃气发生器2内装填固体燃料4；固体燃料4是硼基固体燃料，在燃气发生器2的末端设置等离子体发生器3，其等离子体喷射口对准固体燃料4；该推进器还包括用于调节等离子体发生器功率的电气控制调节***和用于实现冷却的冷却水***；其中，电气控制调节***包括可编程逻辑控制器、电位器、继电器和接触器，点火时，控制器通过继电器和接触器打开等离子体发生器3，在点火过程中，控制器通过电位器动态调节等离子体发生器3的功率；冷却水***用于保护等离子体发生器3，包括冷却水箱16和水泵15，水泵15出口经管路接至设于等离子体发生器3上的进水口，燃气等离子体发生器3上的出水口进管路接于冷却水箱16。

等离子体发生器3的供电电路包括：依次连接的逆变器7、高压变压器8、高压整流模块9和高压滤波模块10，其中逆变器7接于推进器的内置电源18，高压滤波模块10分别接于等离子体发生器3的阳极11和阴极12。

等离子体发生器3的阴极12为阴极棒19，其底端设压缩空气进口17；阳极11为阳极环22，位于阴极棒19的远端，一个线圈20位于两者之间，产生的等离子体流体由阳极环22中喷射出来。

具体运行时，由大型蓄电池提供初始直流电压，经升压后点燃等离子体发生器3。根据运行要求，输入相应的电压控制等离子体发生器3的开关，调节等离子体发生器3的加热速率和加热温度。

图1中的等离子体发生器3作为点火装置产生热量点燃燃气发生器2中的固体燃料4进行一次燃烧。一次燃烧完成后，燃气发生器2燃烧产生的固相和气相产物喷入补燃室5与从进气道1吸入的压缩空气混合二次燃烧，其燃烧产物通过尾喷管6加速排出，产生推力。

按图4所示，推进器点火初期时，首先等离子体发生器3启动，此时燃料所需点火能最大，通过电气***调节此时运行功率为100%最大功率，等离子体温度为5000K左右，推进剂药条与高温等离子体引弧接触，开始引燃，实现推进器的初步点火。图5中，推进器进入点火到自维持稳燃的过渡阶段，此时等离子体发生器功率降低为最大功率的30%-50%，温度降为1500K-2500K，从而降低发生器的能耗，提高其运行时间，通过降低等离子体功率避免烧坏推进器。此时推进剂药条燃烧逐渐剧烈，产生大量高温烟气，逐步过渡到自维持燃烧阶段。图6表示推进器进入自维持稳定燃烧阶段，关闭等离子体发生器，功率降为0。此时推进剂产生的高温烟气可进行自我加热，维持其稳定燃烧的状态。

固体燃料4由氧化剂、粘合剂、金属燃料组成，氧化剂分解会产生氧气，不需要外界提供氧气。

阴极棒19为高导电率的金属或非金属，阳极环22由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成。线圈20在高温250℃下具有抗2000V的直流电压击穿能力。

水冷却***中的循环水置于冷却水箱16中，每隔一段时间需更换循环水。水泵1由内置电源提供动力，功率为4KW左右即可。固体燃料推进器中的内置电源18可由大型蓄电池充当。

等离子体发生器3所需的高压电源由内置电源经升压获得，具体见图2。因为点火过程很快，只是一瞬间提供高压，不需要持续提供，故消耗的能量不大。

图4-图6展示了随着点火过程的进行，等离子体发生器3功率在逐渐减小，突出功率可调这一特点，可降低电源能耗。

Claims

1.一种使用等离子体发生器实现点火的硼基固体燃料推进器，包括进气道、燃气发生器、补燃室和尾喷管，燃气发生器内装填固体燃料；其特征在于，所述固体燃料是硼基固体燃料，在燃气发生器的末端设置等离子体发生器，其等离子体喷射口对准固体燃料；该推进器还包括用于调节等离子体发生器功率的电气控制调节***和用于实现冷却的冷却水***；其中，电气控制调节***包括可编程逻辑控制器、电位器和继电器，电位器与继电器并联后经可编程逻辑控制器与电源串联，同时电位器和继电器的两端分别引出导线接于等离子体发生器的开关；冷却水***包括冷却水箱和水泵，水泵出口经管路接至设于燃气发生器和等离子体发生器上的进水口，燃气发生器和等离子体发生器上的出水口进管路接于冷却水箱。

2.根据权利要求1所述的硼基固体燃料推进器，其特征在于，所述等离子体发生器包括阳极和阴极；其中，阴极为阴极棒，其底端设压缩空气进口；阳极为阳极环，位于阴极棒的远端，一个线圈位于两者之间。

3.根据权利要求1所述的硼基固体燃料推进器，其特征在于，所述等离子体发生器的供电电路包括：依次连接的逆变器、高压变压器、高压整流模块和高压滤波模块，其中逆变器接于推进器的内置电源，高压滤波模块分别接于等离子体发生器的阳极和阴极；所述高压变压器的高压是指其输出电压为380V，高压整流模块和高压滤波模块的高压是指工作电压为380V。

4.根据权利要求3所述的硼基固体燃料推进器，其特征在于，所述推进器的内置电源是蓄电池，其电压为24V，容量为1000A·h以上。