专利名称：：一种激光激活氧分子的助燃方法
技术领域：
：本发明涉及一种助燃方法。
背景技术：
：随着航空航天技术的进步，发展大推力火箭和高超声速航空发动机的需要对燃料燃烧反应速率提出了更高的要求。在火箭发动机设计中，由于必须自身携带氧化剂造成火箭负载增大也是火箭技术发展的瓶颈之一。因此，如何有效的提高燃烧反应速率，降低燃料点火温度成为当前研究的热点。超燃冲压发动机的燃烧室技术是其设计中主要的难点。超燃冲压发动机工作时，来流在燃烧室燃烧时以超声速流动，滞流时间只有几毫秒，在如此短的时间内要实现燃料的喷射、雾化、掺混、点火、稳定燃烧是非常困难的，为了解决这一难题，需要大大增加燃烧室的长度，而这样就会使飞行器的整体结构增大。
发明内容本发明解决了现有发动机技术中燃料燃烧不稳定，并且燃烧时效率低的问题，提供一种激光激活氧分子的助燃方法，该方法由以下步骤完成步骤一将混合气体通入石英圆管，并在石英圆管的出口处将所述混合气体点燃，产生本生灯火焰；所述混合气体是氧气与其它可燃气体的混合物；步骤二采用可调谐染料激光器向步骤一所述本生灯火焰下方的气体未燃区发射激光光束，实现激光助燃。本发明的有益效果本发明所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，使超燃冲压发动机的燃烧性能稳定，采用激光激活氧分子，引入了新的反应活化基团，导致燃烧链式反应中新的反应路径，大大加速了燃烧链式反应速度，从而降低混合燃料的着火温度，提高混合燃料的燃烧效率。图l是本发明的具体实施方式十一的结构示意图，图2是激光激活氧分子助燃过程中的氧分子能级图，图3是激光激活氧分子助燃过程中的氧分子X32V态、^Ag态、btg+态电子组态示意图。具体实施例方式具体实施方式一结合图l说明本实施方式，一种激光激活氧分子的助燃方法，该方法由以下步骤完成步骤一将混合气体通入石英圆管3，并在石英圆管3的出口处将所述混合气体点燃，产生本生灯火焰；所述混合气体是氧气与其它可燃气体的混合物；步骤二采用可调谐染料激光器17向步骤一所述本生灯火焰下方的气体未燃区3发射激光光束，实现激光助燃。本实施方式为采用激光激活氧分子助燃的原理，结合图2和图3说明本实施方式，采用激光激活氧分子助燃，是利用激光将基态氧分子激发至某一激发态，提高反应物活性，从而提高引发混合气体燃烧的链式反应和支链反应的速率，加速燃烧。表l为激发态氧分子对应的跃迁和参与的启动链式反应。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>从表l中可以看出，启动链反应产生的主要活化因子为H、O、OH，这三种因子也是燃烧反应过程中最为主要的活性因子。由于被激发的氧分子能级都集中在低电子态和振转态，因此相应的激光激发波长都集中在可见和红外波段，可利用的激光器较为成熟。最近的研究证明，将02激励至最低的激发态，都可以有效地降低超声速燃烧的诱导反应时间和点火温度。如表1所示，这里激活氧分子的四个波长1.268mm、1.065mm、762nm、687nm分别对应(X3;Eg-，v，=0)—(a'Ag，v"=0)、(X3;Eg-，v，=0)—(a'Ag，v"=1)、(XX-，v，=0)—(bX+，v"=0)、(XX-，v，=0)—(bX+，v"=1)的跃迁，它包括了氧分子最下面的三个能级。由于^Ag、bt/态不但是激发态而且是亚稳态，因此我们选择02的这两个能级作为激励对象。氧分子在各种物理过程和化学反应中能够展示出很多不同的特性，主要是因为氧分子具有特殊的电子能级结构。两个氧原子组成一个氧分子，每个氧原子各拥有六个外层电子，这些外层电子形成了氧分子原始的电子能级结构(K)(KH2og)2(2ou)2(3og)2(lHu)4(^g)2。氧分子中，除了最外层的Hgx和Hgy轨道外，所有的分子轨道都被双重电子占据着。这种特殊的电子轨道形成了三个最低的能级X3Zg—三重基态，^Ag单重态，btg+单重态。在bt/态中，氧分子的两个价电子是自旋相反和共面的，排斥能最大，分子的能量最高，容易发生两点同时进攻反应底物的协同加成氧化反应。在x32^—态中，氧分子的两个自旋平行的价电子位于相互垂直的平面内，能够像自由基一样，以单电子进攻反应底物。氧分子的btg+和W态均有双自由基的特点，而CU^Ag)则显示有两性离子的特征。在^Ag态中，包含两个组分，一个组分是两个自旋相反的价电子在同一平面内，另一组分是两个价电子在相互垂直的平面内，所以^Ag态的氧分子可显示双电子进攻与单电子进攻两种反应性能。我们采用的是霞隱(,〗,(H、v()j9)i卄'、v'二《UU,二9))，将氧分子激发到bt/态，同时由于淬灭过程会产生^Ag态的氧分子，OX^A》的能量是94kJ/mol，(^(b1!:/)的能量是157kJ/mol。02(^Ag)和(^(b1!:/)的理论寿命很长，在零气压下，02(^Ag)的寿命为2.7Xl()3s(45min)，(^(b1!:/)的寿命为11.3s。因此，^Ag和b12^态不仅是氧分子的激发态，而且是亚稳态，在化学反应中活性很强，并可以起到能量载体的作用。这种能态的跃迁宏观上表现为活化能的减少，活化能是化学反应能够进行所需克服的最小能量壁垒。由于与基态氧分子相比，激发态氧分子的能级更高，因此在化学反应中需要比基态氧分子更少的活化能，从而提高化学反应速率，加快火焰传播速度。激光助燃技术是运用激光具有定向性、单色性、高亮度的特性，高效地、选择性地和准确地把氧分子激发到某个特定的亚稳态，亚稳态氧分子具有寿命长、活性强和能量较高的特性，通过化学反应能产生高活性原子或自由基，从而引发支链反应而导致燃料点火和稳定燃烧。由于该方法不同于激光热激发和光化学激发分子，是使用激光选择性地激活氧分子，而不对其它反应分子作用，且激光不转化为热能或仅有很少的激光转化为热能，具有更高的激发效率和反应速度，助燃过程所需的激光能量较少，易于实现。具体实施方式二本实施方式所述的可调谐染料激光器17的波长和单脉冲能量可以通过相关的控制模块来实现连续调谐。具体实施方式三本具体实施方式与具体实施方式一或具体实施方式二的区别在于，可调谐染料激光器17输出的单脉冲能量范围在l-一100mJ之间。具体实施方式四本具体实施方式与具体实施方式一或二的区别在于，可调谐染料激光器17输出的单脉冲能量的范围在7---101^之间。具体实施方式五本具体实施方式与具体实施方式一或二的区别在于，可调谐染料激光器17输出的单脉冲能量的范围在5--8mJ之间。具体实施方式六本具体实施方式与具体实施方式一或二区别在于，可调谐染料激光器17输出的单脉冲能量范围在3---4mJ之间。具体实施方式七本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六的区别在于，可调谐染料激光器17输出的激光光束波长范围在758--770nm之间。具体实施方式八本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六的区别在于，可调谐染料激光器17输出的激光光束的波长范围在761--763.5nm之间。具体实施方式九本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六的区别在于，可调谐染料激光器17输出的激光光束的波长最佳点为761nm或者762nm。具体实施方式十本具体实施方式与具体实施方式九的区别在于，其它可燃气体为甲烷、氢气或者一氧化碳中的一种或几种的组合。具体实施方式i^一本具体实施方式为具体实施方式一的实施例，并对实施方式一所述的方法进行分析。例实验中所用的混气罐7中的混合气体分别为氧气、甲烷和氮气，所述甲烷、氧气和氮气的流量分别为0.3L/min、0.75L/min和1.54L/min;所述的可调谐染料激光器17的激光波长为762nm，激光器的选用型号为Nd:YAG的泵浦染料激光器，工作染料为LDS765，可调谐染料激光器17的单脉冲能量34mJ，重频为10Hz。实验中使用的装置为氧气瓶12、甲烷气瓶ll、氮气瓶13、石英圆管3、多孔均流板4、不锈刚圆管转接头5、甲烷质量流量控制器8、氧气质量流量控制器9、氮气质量流量控制器IO、混气罐7、多通道质量流量显示仪6、热电偶巡检仪2、普通热电偶16、微细热电偶l、CCD成像仪15和计算机14;所述甲烷质量流量控制器8用于测量并控制甲烷气瓶11输出气体的流量；所述氧气质量流量控制器9用于测量并控制氧气瓶12输出气体的流量；所述氮气质量流量控制器10用于测量并控制氮气瓶12输出气体的流量；所述甲烷质量流量控制器8、氧气质量流量控制器9和氮气质量流量控制器10分别输出信号给质量流量显示仪6，所述质量流量显示仪6用于显示所述气体的流量；所述普通热电偶16用于测量石英圆管3的出口处管内中心的温度，所述微细热电偶1用于测量石英圆管3的出口上方的火焰峰面的温度，所述普通热电偶16信号输出端与热电偶巡检仪2的一个温度信号输入端连接，所述热电偶巡检仪2的另一个输入端与微细热电偶1的信号输出端连接，所述热电偶巡检仪2的数据输出端与计算机14的数据输入端连接，所述计算机14的另一个数据输入端与CCD成像仪的数据输出端连接。实验中使用氧气质量流量控制器9、甲烷质量流量控制器8、氮气质量流量控制器10对氧气、甲烷和氮气的流量进行测量和控制、采用质量流量显示仪6显示测量到的流量、采用普通热电偶16测量混合气体未燃的初始温度、微细热电偶l测量火焰锋面的温度，采用CCD成像仪15对所述火焰进行采样，使用计算机14对所述的采样结果进行分析。具体方法为甲烷、氧气和氮气分别通过甲烷质量流量控制器8、氧气质量流量控制器9和氮气质量流量控制器10流入混气罐7进行混合；所述混气罐7中的混合气体通过不锈刚圆管转接头5流入石英圆管3中；所述混合气体通过石英圆管3内的多孔均流板4后，在所述石英圆管3的出口处点火，生成本生灯火焰，所述普通热电偶16的测温端测量石英圆管3内的混合气体的初始温度，微细热电偶1的测温端测量石英圆管3出口上方的火焰锋面的温度；采用可调谐染料激光器17，将激光聚焦后打到石英圆管3出口上方的气体未燃区达到激光助燃；所述CCD成像仪15对激光助燃后的火焰锋面进行成像，并将获得的火焰锋面图像输入到计算机14;所述热电偶巡检仪2将普通热电偶16测得的混合气体的初始温度和微细热电偶1测得的火焰锋面的温度输入到计算机14;所述计算机14对所输入的信息进行分析。本实施方式中所述的微细热电偶l的位置可以调整，可以在石英圆管3的出口上方的火焰锋面上下移动，也可以在石英圆管3的出口上方的火焰锋面左右移动，用来测量火焰锋面不同位置的温度，并能分析采用可调谐染料激光器17发射激光光束对混合气体激光助燃情况的火焰的结构。本实施方式所述的多孔均流板4使通过的混合气体流速均匀。本实施方式所述混气罐7的混合气体中甲烷的体积百分比的范围在6%---50%之间；氧气的体积百分比的范围在13%---70%之间；氮气的体积百分比在10%---80%之间。本实施方式采用热电偶巡检仪2与CCD成像仪15进行结合，测量气体燃烧过程中的温度和火焰图像等相关参数，实现了研究激光助燃技术对气体燃料燃烧参数的影响。权利要求一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征是，该方法由以下步骤完成步骤一将混合气体通入石英圆管，并在石英圆管的出口处将所述混合气体点燃，产生本生灯火焰；所述混合气体是氧气与其它可燃气体的混合物；步骤二采用可调谐染料激光器向步骤一所述本生灯火焰下方的气体未燃区发射激光光束，实现激光助燃。2.根据权利要求1所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于所述的其它可燃气体为甲烷、氢气或者一氧化碳中的一种或几种的组合。3.根据权利要求1或2所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器的波长和单脉冲能量通过相关的控制模块来实现连续调谐。4.根据权利要求3所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器输出的单脉冲能量范围在l--100mJ之间。5.根据权利要求3所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器输出的单脉冲能量范围在7---101^之间。6.根据权利要求3所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器输出的单脉冲能量范围在5--8mJ之间。7.根据权利要求3所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器输出的单脉冲能量的最佳范围在3---4mJ之间。8.根据权利要求1、2或4所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器输出的激光光束的波长范围在758--770nm之间。9.根据权利要求1、2或4所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器输出的激光光束的波长范围在761--763.5nm之间。10.根据权利要求I、2或4所述的一种激光激活氧分子的助燃方法，其特征在于，所述的可调谐染料激光器输出的激光光束的波长为761nm或者762nm。全文摘要一种激光激活氧分子的助燃方法，涉及一种助燃方法，它解决了现有发动机技术中燃料燃烧不稳定，并且燃烧时效率低的问题，其实现方法为步骤一将混合气体通入石英圆管，并在石英圆管的出口处将所述混合气体点燃，产生本生灯火焰；所述混合气体是氧气与其它可燃气体的混合物；步骤二采用可调谐染料激光器向步骤一所述本生灯火焰下方的气体未燃区发射激光光束，实现激光助燃。本发明可广泛应用于航空航天发动机技术的设计中。文档编号F02K9/60GK101691849SQ20091030816公开日2010年4月7日申请日期2009年10月10日优先权日2009年10月10日发明者于俊华,于欣,伊亚超,刘辉,孙锐,彭江波,杨晓川,杨鹏,邵强,陈德应申请人:哈尔滨工业大学