技术领域
[0001] 本
发明实施例涉及空间化学推进技术和等离子体点火技术领域，具体涉及一种等离子体点火实验装置及方法。
背景技术
[0002]
二硝酰胺铵(Ammonium Dinitramide，缩写为ADN)基推进剂是一种发展潜
力巨大的绿色推进剂，主要由二硝酰胺铵、
燃料和
水组成，具有毒性小、无污染、
冰点低、
稳定性高、挥发性小等优点，是空间技术的一个新的发展方向和研究热点，拥有广阔的应用前景。目前空间在轨飞行中应用的ADN基单组元推力器均为催化点火，但不断发展的过程中，研究人员发现如果要实现更大的推力量级，则需要更高
能量密度的推进剂配比，随之将会产生更高的燃烧
温度，长时间的高温作用会导致催化床结构的坍塌
烧结以及其表面催
化成分的失活，从而导致推力器无法正常工作。为了进一步扩大ADN基推力器的应用范围，开发新的点火方式是很有必要的。
[0003] 针对推力器点火方式单一的问题，
申请号为201910513121.9的发明
专利公开了一种低温等离子体协同催化的ADN基单组元推力器，包括一体同轴顺次连接的喷注段、电离段、催化段、
燃烧室；该发明具有多样化的点火方式，对完全转变现有催化解离的点火方式有重要意义
[0004] 作为等离子体技术的一种新的应用途径，低温等离子体点火和助燃引起国内外科研人员的广泛关注。点火是燃烧过程的起点，不同的点火方式具有不同的物理化学过程。为了评估等离子体点火ADN基单组元推力器的工作性能，同时考虑到燃烧室复杂的环境，采用非
接触式的光学测量手段能够有效的测量ADN基推力器点火及工作过程中的参数；有关于ADN基推进剂燃烧方面的工作现如今越来越深入到机理领域，因此需要更加准确地测量产物的
时空分布，从而提供可靠的实验数据。
发明内容
[0005] 为此，本发明实施例提供一种等离子体点火实验装置及方法，实现ADN基单组元推力器由传统催化点火到新的等离子体点火方式的转变，满足现阶段对燃烧产物及推力器工作性能参数研究的需求，借助多种诊断设备及方法，测量结果为机理研究提供可靠性数据，有效促进ADN基推进剂燃烧模型的建立。
[0006] 为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
[0007] 一种等离子体点火实验装置，其特征在于，用于测量所述ADN基单组元推力器在等离子体点火及工作过程中的参数变化，其包括：
[0008] 供给系统，包括连接在所述ADN基单组元推力器上的供液管路和供气管路，所述供气管路用于给所述ADN基单组元推力器提供惰性气体以产生
放电等离子体，所述供液管路用于给所述ADN基单组元推力器提供ADN基推进剂；
[0009] 激光诊断系统，用于给所述ADN基单组元推力器的光学测试窗口提供理论激发
波长的激光诱导
荧光；
[0010]
数据采集系统，用于采集所述ADN基单组元推力器点火及工作过程中的实验参数和燃烧产物的分布情况并进分析处理。
[0011] 本发明实施例的特征还在于，所述供气管路包括依次连接的高压气瓶、减压
阀、针阀a、止回阀a和
电磁阀a，所述电磁阀a连接在所述ADN基单组元推力器的一个供气供液管上，所述高压气瓶用于供给惰性气体；
[0012] 所述供液管路包括依次连接的ADN储罐、针阀b、
过滤器、止回阀b和电磁阀b，所述电磁阀b连接在所述ADN基单组元推力器的另一个供气供液管上，所述ADN储罐用于供给ADN基推进剂。
[0013] 本发明实施例的特征还在于，所述激光诊断系统包括Nd:YAG固体
激光器、染料激光器、波长计和光路调节系统，所述Nd:YAG固体激光器输出固定波长的激光对所述染料激光器进行
泵浦，并将所述染料激光器输出的激光调谐至理论激发波长附近进行扫描，所述波长计用于记录
信号最强处的波长，并对输出激光的波长进行实时监测，通过光路调节系统调整激光诱导荧光使之经过所述ADN基单组元推力器的光学测试窗口；
[0014] 所述Nd:YAG固体激光器通过DG645信号发生器触发。
[0015] 本发明实施例的特征还在于，所述数据采集系统包括压力变送器a、压力变送器b，热
流管、温度
传感器、数据采集卡、
质量流量计、温控仪、ICCD、
显微镜头和计算机；
[0016] 所述压力变送器a和所述压力变送器b分别连接在所述ADN基单组元推力器的两个供气供液管的进口管路上，且分别与所述电磁阀a和所述电磁阀b连接；
[0017] 所述热流管缠在所述ADN基单组元推力器的催化段外壁上作为使用催化剂时的预热装置；
[0018] 所述温度传感器设置在所述ADN基单组元推力器的燃烧室外壁；
[0019] 所述质量流量计接在所述供气管路中；
[0020] 所述温控仪用于设定热流管的温度以及显示温度传感器的数值；
[0021] 所述显微镜头的后端与所述ICCD相接，所述显微镜头的前端装配有与所述光学测试窗口接收的激光相应波段的滤色片，且所述显微镜头设置在所述光学测试窗口外侧拍摄获取燃烧室的图像信息；
[0022] 所述数据采集卡连接并接收所述电磁阀a、所述电磁阀b、压力变送器a、所述压力变送器b和所述温度传感器所采集的数据；所述计算机连接并接收所述数据采集卡、所述ICCD和所述质量流量计所采集的数据。
[0023] 本发明实施例的特征还在于，在所述减压阀的输出端和所述针阀a的进口端外接调压阀，且所述减压阀与所述针阀a直接连接。
[0024] 本发明实施例的特征还在于，在所述止回阀b和所述电磁阀b之间外接手动阀，所述止回阀b和所述电磁阀b直接连接。
[0025] 本发明实施例的特征还在于，在所述针阀b和所述过滤器之间外接贮箱放空阀，所述针阀b和所述过滤器之间连接。
[0026] 另外，本发明基于上述等离子体点火实验装置还提供了一种等离子体点火实验方法，包括如下步骤：
[0027] 步骤100、在供气管路和供液管路闭合的状态下，启动数据采集系统和高压气瓶；
[0028] 步骤200、开启连接在高压气瓶处的减压阀，使得高压气瓶内的惰性气体进入供气管路中，待连接在供气管路中的质量流量计达到系统设定值后，打开连接在质量流量计和ADN基单组元推力器之间的电磁阀并接通ADN基单组元推力器的电源，惰性气体进入ADN基单组元推力器内放电产生等离子体；
[0029] 步骤300、待连接在供气管路中的压力变送器数值稳定后，打开供液管路中的电磁阀，将ADN基推进剂加注至ADN基单组元推力器中，等离子体点火；
[0030] 步骤400、同时利用连接在供气管路供液管路中的电磁阀
开关时的
输出信号，触发位于ADN基单组元推力器光学测试窗口外的ICCD工作，将ICCD拍摄获取的燃烧室图像信息以及连接在供气管路和供液管路中的压力变送器的压力数据传输至计算机中；
[0031] 步骤500、待计算机采集数据后，排出供气管路中的惰性气体以及供液管路中的ADN基推进剂，直至ADN基单组元推力器不再有明显反应发生，尾喷管不再排出气体时，升高催化床外部热流管温度，直至铱基催化剂表面附着的推进剂完全反应。
[0032] 本发明实施例的特征还在于，在步骤400中，ICCD工作启动前，先打开激光诊断系统中的Nd:YAG固体激光器、染料激光器和波长计并输出理论激发波长的激光，然后调整光路调节系统使输出激光沿ADN基单组元推力器的光学测试窗口照射至ADN基单组元推力器燃烧室中。
[0033] 本发明实施例的特征还在于，在步骤500中，排出供气管路中的惰性气体以及供液管路中的ADN基推进剂的具体步骤为：
[0034] 步骤501、关闭供液管路中的电磁阀、针阀以及供气管路中的针阀，然后关闭高压气瓶并打开与高压气瓶连接的调压阀，排出管道内的惰性气体；
[0035] 步骤502、打开供液管路中的贮箱放空阀排出ADN储罐中ADN基推进剂，并打开手动阀，排出管道内残留的ADN基推进剂。
[0036] 本发明实施例具有如下优点：
[0037] (1)本发明实施例实现了供气管路的功能多样化，既可以作为放电工质，又可以在试验中控制推进剂的注入流量，同时也可作为吹除管路，发挥实验前检查气密性、实验后清除残留推进剂的作用；
[0038] (2)本发明实施例考虑到ADN基推进剂类溶液的特殊性，在管路中设置了紧急
制动装置，采集控制系统均可以实现远程操控，提高试验的安全性；
[0039] (3)本发明实施例中易于实现有无催化剂的对比试验，只需改变推力室内结构即可，供给管路无需重复搭建；
[0040] (4)本发明实施例利用测量系统和数据采集系统测量并处理推力器燃烧室温度以及产物分布情况，确认等离子体对燃烧过程的影响，优化ADN基推进剂的配比，为ADN基单组元推力器开发新点火方式、提高性能提供实验
支撑。
附图说明
[0041] 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。
[0042] 本
说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0043] 图1为本发明实施例提供的点火实验装置的整体结构示意图；
[0044] 图2为本发明实施例提供的激光诊断系统的结构示意图；
[0045] 图3为本发明实施例提供的数据采集系统的结构示意图；
[0046] 图4为本发明实施例提供的点火实验装置的实验流程示意图。
[0047] 图中：
[0048] 1-高压气瓶；2-减压阀；3-ADN储罐；4-针阀b；5-贮箱放空阀；6-过滤器；7-止回阀b；8-手动阀；9-电磁阀b；10-压力变送器b；11-针阀a；12-止回阀a；13-质量流量计；14-电磁阀a；15-压力变送器a；16-调压阀；17-ADN基单组元推力器；
[0049] 201-Nd:YAG固体激光器；202-染料激光器；203-波长计；204-光路调节系统；205-DG645信号发生器；
[0050] 301-热流管；302-温度传感器；303-数据采集卡；304-温控仪；305-ICCD；306-显微镜头；307-计算机；308-滤色片。
具体实施方式
[0051] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
[0052] 如图1所示，本发明提供了一种等离子体点火实验装置，测量ADN基单组元推力器17(该推力器在申请号为201910513121.9的发明专利中公开)在等离子体点火及工作过程中的参数变化，其包括：
[0053] 供给系统，包括连接在ADN基单组元推力器17上的供液管路和供气管路，供气管路用于给ADN基单组元推力器17提供惰性气体以产生放电等离子体，供液管路用于给ADN基单组元推力器17提供ADN基推进剂；
[0054] 激光诊断系统，用于给ADN基单组元推力器17的光学测试窗口提供理论激发波长的激光诱导荧光；
[0055] 数据采集系统，用于采集ADN基单组元推力器17点火及工作过程中的实验参数和燃烧产物的分布情况并进分析处理。
[0056] 具体地，供液管路包括依次连接的ADN储罐3、针阀b4、过滤器6、止回阀b7和电磁阀b9，电磁阀b9连接在ADN基单组元推力器17的另一个供气供液管上，ADN储罐3用于供给ADN基推进剂。
[0057] 其中，ADN储罐3上下表面为
法兰盘结构，整体采用螺钉压紧，使用不锈
钢材料，上端面有注入端口压盖采用
螺纹固定，以及连接高压气端口，排出端口位于下表面。
[0058] ADN储罐3用于储存ADN基推进剂，包括
氧化剂、离子
液体燃料、
溶剂，本实例中燃料和溶剂分别采用甲醇和水，ADN储罐3上表面的推进剂注入口可在注入推进剂后连接压力变送器，监测ADN储罐内的压力值。
[0059] 供给系统中的高压气瓶1中为惰性气体，本实例中使用的是氩气；
[0060] ADN虽然是毒性较低的绿色推进剂，实验过后仍需要将未使用的推进剂排出，为了防止推进剂变质或意外情况的发生，设置排出管路是很有必要的，因此在上述供液管路中，在止回阀b7和电磁阀b9之间外接手动阀8，止回阀b7和电磁阀b9直接连接。在针阀b4和过滤器6之间外接贮箱放空阀5，针阀b4和过滤器6之间连接。通过上两处阀
门的设置，在每次实验过后及时放空在管路中积压的推进剂，保证实验的安全性并提高可重复性。
[0061] 供气管路包括依次连接的高压气瓶1、减压阀2、针阀a11、止回阀a12和电磁阀a14，电磁阀a14连接在ADN基单组元推力器17的一个供气供液管上，高压气瓶1用于供给惰性气体；
[0062] 在上述供气管路中，为了防止管道中堵塞导致承压过大等危险因素，在减压阀2的输出端和针阀a11的进口端外接调压阀16，且减压阀2与针阀a11直接连接，调压阀16用于及时将管道中的气体排出。
[0063] 进一步地，如图2所示，激光诊断系统包括Nd:YAG固体激光器201、染料激光器202、波长计203和光路调节系统204，Nd:YAG固体激光器201输出固定波长的激光对染料激光器202进行泵浦，并将染料激光器202输出的激光调谐至理论激发波长附近进行扫描，波长计
203用于记录信号最强处的波长，并对输出激光的波长进行实时监测，通过光路调节系统
204调整激光诱导荧光使之经过ADN基单组元推力器17的光学测试窗口；
[0064] 其中，Nd:YAG固体激光器201通过DG645信号发生器205触发。
[0065] 光路调节系统204可以是一系列的光学镜片，利用光学原理，通过不同的安装
角度实现将染料激光器202输出的激光照射到ADN基单组元推力器17燃烧室中，再通过数据采集系统获取图像进一步分析。
[0066] 如图3所示，数据采集系统包括压力变送器a15、压力变送器b10，热流管301、温度传感器302、数据采集卡303、质量流量计13、温控仪304、ICCD305、显微镜头306和计算机307；
[0067] 压力变送器a15和压力变送器b10分别连接在ADN基单组元推力器17的两个供气供液管的进口管路上，且分别与电磁阀a14和电磁阀b9连接；
[0068] 热流管301缠在ADN基单组元推力器17的催化段外壁上作为使用催化剂时的预热装置；
[0069] 温度传感器302设置在ADN基单组元推力器17的燃烧室外壁；
[0070] 质量流量计13接在供气管路中；
[0071] 温控仪304用于设定热流管301的温度以及显示温度传感器302的数值；
[0072] 显微镜头306的后端与ICCD305相接，显微镜头306的前端装配有与光学测试窗口接收的激光相应波段的滤色片308，且显微镜头306设置在光学测试窗口外侧拍摄获取燃烧室的图像信息；
[0073] 数据采集卡303连接并接收电磁阀a14、电磁阀b9、压力变送器a15、压力变送器b10和温度传感器302所采集的数据；计算机307连接并接收数据采集卡303、ICCD305和质量流量计13所采集的数据。
[0074] 综上，数据采集系统通过测量ADN基单组元推力器17在等离子体点火及工作过程中的点火温度、
点火延迟、燃烧温度、推力、燃烧产物分布等参数的变化，及时确认等离子体对燃烧过程的影响，优化ADN基推进剂的配比，为ADN基单组元推力器开发新点火方式、提高性能提供实验支撑。
[0075] 本发明实施例仅在供气管路中安装质量流量计以测量惰性气体的质量流量，但对于诸如ADN基推进剂类可变配比的特殊液体，其密度随着实验要求不断变化，没有与之对应的质量流量计，为了能够掌握推进剂的质量流量，供液管路搭建完成后先不接入ADN基单组元推力器，设定针阀b4为某一合适的开启状态并保持不变，除此以外所有阀门保持关闭状态。打开减压阀2并设定为某个值，设置电磁阀b9开关为某一时间段，观察与之对应的压力变送器b10的相应数值(喷前压)，让ADN基推进剂流出至收集装置并进行称重；改变不同的气压值便可得到喷前压与质量流量间的标定曲线。基于上述操作便可以使得压力变送器b10发挥ADN基推进剂质量流量计的作用。
[0076] 本发明实施例运用于实际点火作业时，具体的设备选型为：
[0077] 气体输运管路材质为316
不锈钢型材；所用惰性气体为氩气，氩气质量流量计的量程为0-10SLM；
[0078] 减压阀2出口压力可调节的范围为0.1-1MPa；电磁阀14为耐液体
腐蚀型；
[0079] ADN基单组元推力器17电源型号为南京苏曼公司生产的型号为CTP-2000K的等离子体电源，正弦交流电，
输出电压0-30kV，中心
频率选择范围1-100kHz，功率500W；
[0080] 采用的压力变送器输出0-10V电压信号，量程0-1.6MPa，采用24VDC供电；
[0081] 质量流量计型号为CS200-A七星华创，量程0-10SLM；
[0082] 采用的数据采集卡型号为NI MCC1608G，
采样率250ks/s，
分辨率16bit，16路单端或8路差分模拟输入。
[0083] 另外，如图4所示，本发明基于该实验装置还提供了一种等离子体点火实验装置的使用方法，包括如下步骤：
[0084] 步骤100、在供气管路和供液管路闭合的状态下，启动数据采集系统和高压气瓶；
[0085] 在步骤100中，首次测试开始前，在未加入推进剂的情况下检查整体管路的气密性，具体气密性检查操作过程：
[0086] 将供液管路中的贮箱放空阀、手动阀、电磁阀以及供气管路中的调压阀、电磁阀关闭，打开高压气瓶以及减压阀，设定出口压力大于一个
大气压，观察ADN储罐上的压力表示数的变化情况。在示数不稳定的情况下，考虑到实施过程的便捷性，采用装满肥皂水
泡沫的吹气瓶对管路的连接处进行气泡法检漏。在上述实验条件下，利用吹气瓶在管路连接处挤出泡沫，观察气泡，若有变大的趋势则说明此处漏气需要进行紧固工作，直至ADN储罐上压力表示数保持不变为止；完成后打开供气管路和供液管路上的电磁阀，对含有压力变送器的管路采用上述方法进行检漏，检查完成后，先关闭电磁阀再关闭高压气瓶、减压阀。
[0087] 步骤200、开启连接在高压气瓶处的减压阀，使得高压气瓶内的惰性气体进入供气管路中，待连接在供气管路中的质量流量计达到系统设定值后，打开连接在质量流量计和ADN基单组元推力器之间的电磁阀并接通ADN基单组元推力器的电源，惰性气体进入ADN基单组元推力器内放电产生等离子体；
[0088] 步骤300、待连接在供气管路中的压力变送器数值稳定后，打开供液管路中的电磁阀，将ADN基推进剂加注至ADN基单组元推力器中，等离子体点火；
[0089] 步骤400、同时利用连接在供气管路供液管路中的电磁阀开关时的输出信号，触发位于ADN基单组元推力器光学测试窗口外的ICCD工作，将ICCD拍摄获取的燃烧室图像信息以及连接在供气管路和供液管路中的压力变送器的压力数据传输至计算机中；
[0090] 在步骤400中，ICCD工作启动前，先打开激光诊断系统中的Nd:YAG固体激光器、染料激光器和波长计并输出理论激发波长的激光，然后调整光路调节系统使输出激光沿ADN基单组元推力器的光学测试窗口照射至ADN基单组元推力器内部的燃烧室中。
[0091] 步骤500、待计算机采集数据后，排出供气管路中的惰性气体以及供液管路中的ADN基推进剂，直至ADN基单组元推力器不再有明显反应发生，尾喷管不再排出气体时，升高催化床外部热流管温度，直至铱基催化剂表面附着的推进剂完全反应。
[0092] 在步骤500中，排出供气管路中的惰性气体以及供液管路中的ADN基推进剂的具体步骤为：
[0093] 步骤501、关闭供液管路中的电磁阀、针阀以及供气管路中的针阀，然后关闭高压气瓶并打开与高压气瓶连接的调压阀，排出管道内的惰性气体；
[0094] 步骤502、打开供液管路中的贮箱放空阀排出ADN储罐中ADN基推进剂，并打开手动阀，排出管道内残留的ADN基推进剂。
[0095] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明
基础上，可以对之作一些
修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
