H2O2催化床点火器性能精确预示方法

技术领域

本发明属于固液混合火箭发动机点火技术领域，具体涉及一种H

背景技术

发展航天，动力先行，火箭发动机是火箭的心脏，是人类航天事业发展的核心支撑。固液混合火箭发动机作为当前火箭推进技术的一个重要发展方向，基于其独特的结构特点，具备广阔的应用前景。固液混合火箭发动机结合了固体发动机和液体发动机的结构特点，将不同相态的燃料和氧化剂分开贮存，其中以固体燃料和气/液体氧化剂为组合的固液混合火箭发动机研究最为广泛。这种特殊的结构使其与常规的固体发动机和液体发动机相比，具有安全性高、成本低、绿色环保、推力可调节、能够实现重复启动等优点。

近年来，将H

在上述背景之下，通过有效手段对于催化床点火器性能的精确预示就显得极为重要。目前对于H

发明内容

针对现有技术中存在的接触式测量手段例如热电偶、压力传感器等应用于H

光谱学手段作为一种非接触的测量方法，利用流场原子或分子组分的辐射跃迁来获得流场的信号，具有非常高的应用前景。以激光吸收光谱技术为代表的非接触式光谱测量方法具备对流场多参数实时诊断的能力和对流场无干扰的优点，是高温流场诊断的理想手段之一。

本发明采取的技术方案为：

一种H

(a)固液发动机点火：点火器测控系统控制H

(b)获取光谱信息：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给定的扫描频率和波长激光信号；输出的激光信号经一分二光纤分为光路1和光路2两路；

(c)分析气流信息：光路2的电压信号结合光路1的标定信号通过数据处理终端综合分析处理，得到喷注器出口沿程的气流静温、H

进一步的，所述的步骤(b)中获取光谱信息的具体步骤如下：

b1、光路1的标定信号测量：光路1通过准直透镜a进行准直，光路1通过法布里-珀罗干涉仪标定出所产生激光信号的时间尺度-频率尺度关系并输出至TDLAS信号调制及数据处理模块；

b2、光路2的电压信号测量：光路2通过准直透镜b进行准直，光路2紧贴喷注器出口，垂直穿过高温气流后经激光接收端滤波、聚焦后传输至光电探测器，透射激光信号经光电探测器进行光电转换后，转换为电压信号传输至TDLAS信号调制及数据处理模块；

一种H

所述点火器测控系统通过H

进一步的，所述的光路探测系统a和光路测量系统b的具体结构设计如下：

光路探测系统a设置有光纤a，一分二光纤通过准直透镜a和光纤a连接，光纤a通过法布里-珀罗干涉仪和TDLAS信号调制及数据处理模块连接；

所述光路测量系统b设置有光纤b，光纤b紧贴喷注器出口设置，一分二光纤通过准直透镜b和光纤b连接，光纤b垂直穿过喷注器高温气流后连接激光接收端，激光接收端通过电探测器和TDLAS信号调制及数据处理模块连接。

进一步的，所述的点火器测控系统包括流量计、压力传感器、H

进一步的，所述的催化床点火器设置为针对实验室级小型固液混合发动机点火器，其采用不锈钢材质制备而成，其内部设置有多层银网，尾部安装有喷注器，H

进一步的，所述的银网是由多层银网挤压制成，银网的筛网孔径设置为30-40目，银网的丝径设置为0.2mm，用于实现H

进一步的，所述的喷注器设置为直流单孔、直流多孔或旋流多孔结构中的任意一种，喷注器的出口尺寸根据具体所装备的固液混合火箭发动机结构尺寸确定。

进一步的，所述的TDLAS信号调制及数据处理模块一方面通过电流、温度调制激光器输出所需的激光中心波长、调谐波长范围和调制频率激光信号，另一方面对光电探测器和法布里-珀罗干涉仪的输入信号实时处理。

进一步的，所述的激光器设置为DFB激光器，谱线线宽小于10MHz，且在一个扫描周期同时覆盖水分子4029.5cm

进一步的，所述的一分二光纤用于实现对激光光束的分束，从而简化实验系统。

进一步的，所述的准直透镜b和准直透镜a设置为圆柱状外形结构，圆柱直径不大于2.5mm，具有端面耦合特性。实现入射激光在光纤端面的汇聚，可有效提高激光与光纤的耦合效率，有效通光直径为透镜直径的70％以上，在保证通光效率的同时起到光阑的作用，即具备过滤杂散光以及辐射发光影响的功能；可实现光学测量结构的紧凑化。

进一步的，所述的激光接收端设置为由小孔光阑、窄带滤波片、聚焦透镜组合而成的结构，小孔光阑口径在5mm内可调；窄带滤波片中心波长设置为2.48μm，带宽设置为50nm；聚焦透镜设置为直径10mm、焦距5mm的氟化钙或者蓝宝石透镜。

进一步的，所述的光电探测器设置为铟镓砷光电探测器，适用波长范围为800-2600nm，带固定增益或可调增益。

进一步的，所述的法布里-珀罗干涉仪通过把以时间s为基准轴的单周期激光信号转换为以波数cm

进一步的，所述的数据处理终端为计算机和分析软件的统称，分析软件可基于C、C++、Fortran、LabVIEW或PLC开发环境进行编写，一方面实现对于点火器测控系统和TDLAS信号调制及数据处理模块的参数调制和实时控制，另一方面用于对于获得所有实验数据的分析处理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明利用激光吸收光谱技术测量H

(2)本发明通过测量催化分解后的高温气流，不受到点火器内部结构等影响，具有极强的环境适应性，可用于基于催化防热的H

(3)本发明采用的基于激光吸收光谱的测量方案易于建设，测量位置位于点火器出口，无需在点火器开孔(相对于安装热电偶等)，具有极强的适应性和发展潜力。

(4)本发明选用的水分子4029.5cm

(5)本发明基于的激光吸收光谱技术其吸收信号强度与光程成正比，对于尺寸较大的H

附图说明

图1为本发明的实验系统布局示意图；

图2为本发明实施例中实验获得TDLAS-光束2的原始数据图；

其中，1、点火器测控系统；2、催化床点火器；3、银网；4、喷注器；5、TDLAS信号调制及数据处理模块；6、激光器；7、分二光纤；8、准直透镜b；9、激光接收端；10、光电探测器；11、法布里-珀罗干涉仪；12、数据处理终端；13、准直透镜a。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例1

以本实验室的H

所述点火器测控系统1通过H

所述光路探测系统a设置有光纤a，一分二光纤7通过准直透镜a13和光纤a连接，光纤a通过法布里-珀罗干涉仪11和TDLAS信号调制及数据处理模块5连接；

所述光路测量系统b设置有光纤b，光纤b紧贴喷注器出口设置，一分二光纤7通过准直透镜b8和光纤b连接，光纤b垂直穿过喷注器4高温气流后连接激光接收端9，激光接收端9通过电探测器10和TDLAS信号调制及数据处理模块5连接。

具体运行步骤如下：

(a)点火器测控系统1控制一定流量H

(b)如图1所示，TDLAS信号调制及数据处理模块5通过电流及温度调制激光器6输出所需的扫描频率和输出波长，扫描频率为2-10kHz，单周期内包含4029.5cm

(c)光路1通过法布里-珀罗干涉仪11标定出所产生激光信号的时间尺度-频率尺度关系并输出至TDLAS信号调制及数据处理模块5；光路2通过准直透镜8进行准直，光路2紧贴喷注器4出口，垂直穿过高温气流后经激光接收端9滤波、聚焦后传输至光电探测器10，透射激光信号经光电探测器10进行光电转换后，转换为电压信号传输至TDLAS信号调制及数据处理模块5，结合光路1的标定信号，数据处理终端12综合分析处理得到喷注器出口沿程的气流静温、H

(d)通过分析气流信息例如温升曲线、最大温度等，以及H

实施例2

在实施例1的基础上，不同于实施例1，一种H

(a)固液发动机点火：点火器测控系统1控制H

(b)获取光谱信息：TDLAS信号调制及数据处理模块5通过电流调制和温度调制让激光器6输出给定的扫描频率和波长激光信号；输出的激光信号经一分二光纤7分为光路1和光路2两路；

b1、光路1的标定信号测量：光路1通过准直透镜a13进行准直，光路1通过法布里-珀罗干涉仪11标定出所产生激光信号的时间尺度-频率尺度关系并输出至TDLAS信号调制及数据处理模块5；

b2、光路2的电压信号测量：光路2通过准直透镜b8进行准直，光路2紧贴喷注器4出口，垂直穿过高温气流后经激光接收端9滤波、聚焦后传输至光电探测器10，透射激光信号经光电探测器10进行光电转换后，转换为电压信号传输至TDLAS信号调制及数据处理模块5；

(c)分析气流信息：光路2的电压信号结合光路1的标定信号通过数据处理终端12综合分析处理，得到喷注器4出口沿程的气流静温、H

具体实现流程如下：

基于激光吸收光谱原理，当一束频率为v的激光通过流场，其出射光强I

(I

式中：k

式中：线型函数满足归一化条件，即∫φ(v)dv≡1。

式(2)中的吸收组分分压是气流参数，而吸收线强度为吸收线的固有属性，它是温度的函数。将吸收系数和吸收长度的乘积k

任意温度下的线强度S(T)由已知温度T

式中：E″(cm

由式(3)和式(4)可知，采用直接吸收-波长扫描法同时获得两条及以上的吸收谱线线型，通过其比值即可得到温度T，进而根据式(3)得到吸收组分浓度P

图2给出某实验获得TDLAS-光束1的原始数据，如图2所示，在一个扫描周期可同时获得4029.5cm

根据激光吸收光谱技术获得的气流信息例如温升曲线、最大温度等，以及H

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。