一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统及方法技术方案

本发明专利技术实施例涉及一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统及方法，包括：测控模块，发动机，发射模块，接收模块以及处理模块；所述测控模块通过向所述发动机内冲入指定流量的氧气，使所述氧气与所述发动机内的固体燃料发生燃烧产生燃气经所述发动机的喷管喷出形成高速流场；所述发射模块向所述喷管的出口垂直发射激光信号，所述激光信号经单模氟化锆光纤穿过所述流场后，被所述接收模块接收，且由所述接收模块将接收的激光信号发送至所述处理模块，由所述处理模块确定固体燃料质量流量。该系统结构简单，安全，测量成本低，且对于更大尺寸的固液火箭发动机更容易实现测量，具有极强的适应性和发展潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统及方法
本专利技术实施例涉及固液火箭发动机
，尤其涉及一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统及方法。
技术介绍
固液混合火箭发动机作为化学能火箭推进的一个重要发展方向，其独特的结构特点，使其具备广阔的商业应用前景。由于固液火箭发动机采用不同状态的物质作为推进剂，它的燃烧与单纯的固体或液体火箭发动机不同。其燃烧室内部的燃烧呈现为肉眼可见的扩散火焰，燃料消耗以及燃烧效率沿着燃料通道长度不断变化。因此，固体燃料的退移速率是固液火箭发动机中至关重要的参数，关系到发动机推力的大小以及燃烧室内部当量比的大小。固液火箭发动机的早期研究通常基于测量发动机点火前后的燃料几何形状或质量来评估燃料的平均退移速率。通过大量燃烧实验获得平均退移速率随氧化剂质量流量通量的拟合关系式。即使这样的相关性很好地适合于特定发动机配置的实验数据，但是一个困难在于这种退移速率的相关性是否可以缩放到其他不同尺寸发动机。另外，该方法还不允许对瞬态现象和异常进行表征，无法得到燃烧过程中退移速率的实时变化。对于固体药柱退移速率的动态测量，目前大多采用超声波测量方法，该方法主要适用于单孔药柱的退移速率测量。由于超声波测量是一种单点测量方式，为了尽可能准确地获得固体药柱退移速率的实时变化，需要在燃烧室段布置尽可能多的测量位置。这就使得需要测量的燃烧室结构变得更加复杂，且在室压较大时进行测量极为困难与危险。退移速率的实时测量方法还包括微波、电阻测量、X光、PlasmaCapacitanceGauge(PCG)以及发射光谱等方法。受限于系统复杂、测试危险性、成本较高和尚不清楚的理论机制，上述几种实时测量方法在实际应用过程中存在各种各样的问题。在上述背景之下，通过非接触测量方式实时测量固液火箭发动机固体燃料质量流量是非常有意义的。
技术实现思路
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统及方法。第一方面，本申请实施例提供了一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统，包括：测控模块，发动机，发射模块以及接收模块；所述测控模块通过向所述发动机内冲入指定流量的氧气，使所述氧气与所述发动机内的固体燃料发生燃烧产生燃气经所述发动机的喷管喷出形成高速流场；所述发射模块向所述喷管的出口垂直发射激光信号，所述激光信号经单模Y型氟化锆光纤垂直穿过所述流场后，被所述接收模块接收并转换为电压信号，且由所述接收模块将所述电压信号发送至所述发射模块中的TDLAS信号调制及数据处理模块，由所述TDLAS信号调制及数据处理模块根据所述电压信号确定喷管出口的气流静温以及水分压。在一个可能的实施方式中，所述发射模块包括：TDLAS信号调制及数据处理模块、激光器以及自聚焦准直器；TDLAS信号调制及数据处理模块通过电流调制和温度调制使激光器输出激光信号，所述激光信号经所述单模Y型氟化锆光纤进入所述自聚焦准直器，由所述自聚焦准直进行准直后垂直穿过所述高速流场，并射入所述接收模块。在一个可能的实施方式中，所述接收模块包括：自聚焦准直透镜以及光电探测器；所述自聚焦准直透镜接收所述激光信号，并将所述激光信号发送至所述光电探测器进行光电转换得到电压信号，所述光电探测器将电压信号传输至TDLAS信号调制及数据处理模块。在一个可能的实施方式中，所述系统还包括处理模块，所述处理模块接收由所述TDLAS信号调制及数据处理模块传输的气流静温以及水分压，并根据所述气流静温以及水分压确定固体燃料总质量流量。第二方面，本申请实施例提供了一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断方法，采用上述的一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统，包括：依据发动机燃烧实验获得氧化剂以及燃料的平均总流量，燃烧室的平均氧燃比以及总压强；依据所述平均氧燃比以及总压强确定燃气比热比，燃气气体常数，总温度以及组分配比；对固液火箭发动机的喷管出口采用TDLAS技术测量，得到所述喷管出口的气流静温以及水分压；选取所述固液火箭发动机喷管与出口延伸部分作为计算域，在计算流体动力学工具中建立喷管CFD模型；将所述平均总流量、燃气比热比，燃气气体常数，总温度以及组分配比输入所述CFD模型中，得到所述喷管出口处的气流速度；根据所述气流速度、气流静温以及水分压计算参与燃烧反应的固体燃料质量流量；根据燃烧效率和所述参与燃烧反应的固体燃料质量流量计算固体燃料总质量流量。在一个可能的实施方式中，所述对固液火箭发动机的喷管出口采用TDLAS技术测量，得到所述喷管出口的气流静温以及水分压，包括：采用TDLAS信号调制及数据处理模块通过电流调制和温度调制让激光器输出激光信号；所述激光信号通过自聚焦准直透镜进行准直，并垂直穿过喷管出口的高速流场；穿过高速流场后的激光信号经过自聚焦准直透镜传输至光电探测器；所述光电探测器对穿过高速流场后的激光信号进行光电转换为电压信号，并传输至所述TDLAS信号调制及数据处理模块进行分析处理得到沿光程平均的气流静温、水分子分压。在一个可能的实施方式中，所述根据所述气流速度、气流静温以及水分压计算参与燃烧反应的固体燃料质量流量，包括：在一个可能的实施方式中，所述燃烧效率为本专利技术实施例提供方法是综合CFD仿真和TDLAS测量的固液火箭发动机燃料质量流量诊断方法，该方法从发动机燃烧特性出发，利用TDLAS实现发动机气流气流静温和水蒸气浓度测量，结合CFD对实际发动机的仿真计算，得到燃料质量流量为真实参与燃烧反应的燃料质量流量。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本申请实施例提供的一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统的示意图；图2为本申请实施例提供的一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断方法流程图；图3为本申请实施例提供的TDLAS的原始数据；图4为本申请实施例提供的实验基于Fastran获得的喷管CFD模拟速度云图；图5为本申请实施例提供的某实验基于Fastran获得的喷管出口速度剖面图图6为本申请实施例提供的某实验基于CFD和TDLAS技术的石蜡基固液火箭发动机燃料质量流量实时测量结果图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统，其特征在于，包括：测控模块，发动机，发射模块以及接收模块；/n所述测控模块通过向所述发动机内冲入指定流量的氧气，使所述氧气与所述发动机内的固体燃料发生燃烧产生燃气经所述发动机的喷管喷出形成高速流场；/n所述发射模块向所述喷管的出口发射激光信号，所述激光信号垂直穿过所述高速流场后，被所述接收模块接收并转换为电压信号，且由所述接收模块将所述电压信号发送至所述发射模块中的TDLAS信号调制及数据处理模块，由所述TDLAS信号调制及数据处理模块根据所述电压信号确定喷管出口的气流静温以及水分压。/n

【技术特征摘要】
1.一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统，其特征在于，包括：测控模块，发动机，发射模块以及接收模块；
所述测控模块通过向所述发动机内冲入指定流量的氧气，使所述氧气与所述发动机内的固体燃料发生燃烧产生燃气经所述发动机的喷管喷出形成高速流场；
所述发射模块向所述喷管的出口发射激光信号，所述激光信号垂直穿过所述高速流场后，被所述接收模块接收并转换为电压信号，且由所述接收模块将所述电压信号发送至所述发射模块中的TDLAS信号调制及数据处理模块，由所述TDLAS信号调制及数据处理模块根据所述电压信号确定喷管出口的气流静温以及水分压。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射模块包括：TDLAS信号调制及数据处理模块、激光器以及自聚焦准直器；
TDLAS信号调制及数据处理模块通过电流调制和温度调制使激光器输出激光信号，所述激光信号经所述单模Y型氟化锆光纤进入所述自聚焦准直器，由所述自聚焦准直进行准直后垂直穿过所述高速流场，并射入所述接收模块。


3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述接收模块包括：自聚焦准直透镜以及光电探测器；
所述自聚焦准直透镜接收所述激光信号，并将所述激光信号发送至所述光电探测器进行光电转换得到电压信号，所述光电探测器将电压信号传输至TDLAS信号调制及数据处理模块。


4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括处理模块，所述处理模块接收由所述TDLAS信号调制及数据处理模块传输的气流静温以及水分压，并根据所述气流静温以及水分压确定固体燃料总质量流量。


5.一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断方法，采用权利要求1-4任意一项所述的一种固液火箭发动机燃料的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：林鑫，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11