一种宽范围可调能量的超高能单次爆震点火装置及其控制方法与流程

本发明涉及爆震燃烧和脉冲爆震发动机技术领域，具体为一种宽范围可调能量的超高能单次爆震点火装置及其控制方法。

背景技术：

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种利用间歇式爆震波产生推力的新概念发动机。PDE作为一种新型的动力装置，由于其结构简单，循环效率高，工作范围宽和推重比高等潜在的优势，在民用和军用领域均有着广阔的应用前景。而爆震波的起始，是PDE研究的关键之一。

目前，爆震波的起始可通过直接起爆和缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)的方式实现。由于DDT可以以相对较低的能量起始缓燃波，故其在爆震研究中被广泛采用。但DDT过程中使用的障碍物会导致很大的流阻，从而产生性能损失，Cooper等人的研究指出，对于不加障碍物可以起爆的混合物，加上障碍物后会导致比冲下降约25％(Cooper,M.,Jackson,S.,Austin,J.,et al.Direct Experimental Impulse Measurements for Detonations and Deflagrations[J].Journal of Propulsion and Power,2002,18(5):1033-1041.)。相对于通过DDT获得爆震波，直接起爆性能损失较少，但对点火能量的需求非常高。由于其对巨大点火能量的需求是常规电火花点火系统所不能满足的，因此针对PDE的直接起爆实验研究并未广泛开展。目前，在实验研究中，实现直接起爆的方式主要包括预爆管、爆炸物和激波聚焦等手段，这些方法与电火花点火相比，操作复杂，安全性低，且占用空间较大。因此，为了进一步开展针对PDE的直接起爆实验研究，开发新型高能点火系统有着很大的必要性。

根据陈超等人的研究，在脉冲爆震发动机的实际应用中，高能点火相对于传统的点火方式有利于减少延迟时间，缩短缓燃向爆震的转变距离，并且可以得到其他一些性能上的提高。同时，如果反应物的化学当量比合适，则存在一个与其最适应的点火能量，可以使缓燃向爆震的转变距离最小。(陈超,赵罡,何立明.静止、流动空-燃混合气的高能点火研究[J].空军工程大学学报(自然科学版),2006年12月，第7卷第六期)。因此，点火能量对于PDE的工作有着重要的影响，而其与PDE工作性能的关 系也是研究的重点之一。然而，目前大多高能点火装置可供调节的点火能量范围较窄，装置可实现的最高点火能量也较低，难以用在爆震燃烧领域，更无法用于进行直接起爆的实验研究。因此，研制一款能够提供较宽点火能量范围和较高最大点火能量的高能点火装置对于爆震燃烧的实验研究有着重要意义。

技术实现要素：

要解决的技术问题

在基于爆震燃烧的发动机研究中，点火能量对爆震的形成和传播有极大的影响，直接关系着脉冲爆震发动机的性能。为填补爆震燃烧领域宽范围、可调节、超高能量点火的空白，同时为了解决传统高能点火装置不适用于爆震发动机领域的问题，本发明设计了一种结构简单、经济实用、安全可靠的超高能点火装置，并针对爆震研究提出了其安全使用方法。同时，考虑爆震燃烧研究的实际需求，本专利主要针对单次点火。使用本发明中所设计的高能点火装置，并按照正确的操作步骤，可以进行常规尺度和微尺度爆震实验中较宽点火能量范围内气体燃料混合物的单次直接起爆与高能点火。

本发明的技术方案为：

一种宽范围可调能量的超高能单次爆震点火装置，包括储能电路和点火模块，其特征在于：储能电路的两极分别与点火模块的两级相连，根据所需的点火能量调节储能电路的充电时间和点火模块点火针间距，在储能电路所储存的能量达到额定值后，接通其中的继电器，击穿点火模块点火针之间的空气间隙，引发储能电容组放电，释放能量点燃可爆混合物。

所述储能电路包括储能电容组、直流稳压电源、保护电阻、直流升压模块、电压监测模块、点火继电器和放电继电器，可以分为充电回路、点火回路以及放电与测压回路，三者均包括储能电容组，相互为并联关系；在充电回路中，储能电容组的一端通过保护电阻和直流升压模块与直流稳压电源正极相连，一端与直流稳压电源负极相连，此回路的作用为，在放电前为储能电容组充电；在点火回路中，储能电容组的一端通过点火继电器与点火模块相连，另一端则直接与点火模块相连，此回路的作用为，在储能电容组达到额定电压后，释放能量，进行点火；在放电与测压回路中，放电继电器直接接在储能电容组两端，用于在点火后或检修前释放储能电容组中残余电荷， 保护使用者安全，而电压监测模块同样直接连接于储能电容组两端，可以实时监测储能电容组电压情况。

所述储能电容组采用高压薄膜电容，电容组的总容值大于或等于1.1μF，额定电压20kV，单个电容的容值约为0.1μF；电容组采用排式并联结构，每个单独电容可任意安装拆卸，维护方便；根据实验需求，可任意增减电容数量，从而增减最大放电总能量。

所述直流稳压电源的电压可调，电压调节的区间为0～15V，额定电流为1A，可根据需求，在安全范围内，适当增加电压以实现快速充电。

所述直流升压模块采用倍压升压设计，其额定电流为0.5mA，可调电压范围为0～30kV，按照(式中，Q为能量，C为电容容值，U为电压)公式记算，结合前文中电容组的容值，本装置的最高点火能量可达几百焦耳，远高于常规点火装置，适用于多数气体燃料可爆混合物；直流升压模块内部有防反接保护、高低压隔离保护；与传统变压器升压相比，具有结构简单、体积小、安全性高等优点。

所述保护电阻的总阻值大于等于50MΩ，可用一个电阻或若由干个电阻串联组成，用于防止放电时较大的电流回流使直流稳压电源及直流升压模块产生破坏。

所述电压监测模块为一个大量程、高灵敏度的高压电压表，用于实时监测储能电容组的电压，以便及时放电或切断电源。

所述点火继电器和放电继电器均为常断型真空高压继电器，采用继电器作为开关，使用者仅需通过电压较低的电路操纵电磁铁以控制高压电路的通断，从而有效保证使用者的人身安全。

所述点火模块包括两根相互垂直放置的点火针、螺纹堵头及与之对应的爆震管头部；轴向点火针通过螺纹堵头固定于爆震管端壁处，径向点火针通过爆震管侧壁的孔插入管内，并固定与侧壁上，两枚点火针的针尖均位于爆震管的轴线上，点火针针尖之间的距离可以通过螺旋堵头进行调整。

电路中各继电器均处于常开状态，充电回路采用直流稳压电源供电并通过直流升压模块升压后为储能电容组充电，当电压监测模块显示储能电容组电压达到额定值后，切断直流稳压电源，并接通点火继电器，此时点火模块放电进行点火，点火结束 后，接通放电继电器，释放储能电容组内剩余能量。

充电过程中，需缓慢提高直流稳压电源的输出电压，以减少电流突增对储能电容组的不利影响。

有益效果

采用本发明提供的用于爆震燃烧起爆的超高能点火装置及其控制方法，使用螺纹堵头固定点火针，可以有效解决圆形管道的密封与通气问题；实现在0～20kV的宽电压范围内进行点火，其对应的点火能量为0～220J，解决了从低能量到高能量点火的问题，能量覆盖范围广，可以用于研究各种能量下的点火机理；使用继电器作为开关和低压端保护装置，采用多重保护机制，在提高运行稳定性的同时尽最大可能保证人员与设备安全。

附图说明

图1：本发明的系统示意图

图2：点火组件示意图

其中，1-1为直流稳压电源，1-2为直流升压模块，1-3为保护电阻，1-4为放电继电器，1-5为电压监测模块，1-6为储能电容组，1-7为点火继电器，1-8为点火模块；2-1为轴向点火针，2-2为头部密封栓，2-3为爆震管前端，2-4为径向点火针。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步描述：

参照附图1，本实例中一种宽范围可调能量的超高能单次爆震点火装置包括储能电路和点火模块，而储能电路由低压充电回路、储能组件、点火回路以及放电与测压回路组成。

低压充电回路包括直流稳压电源1-1、直流升压模块1-2和保护电阻1-3，其中，直流稳压电源1-1的电压连续可调，电压调节的区间为0～15V。直流升压模块1-2采用采用倍压升压设计，安装简便，输出稳定，体积小，安全性高。保护电阻1-3采用总阻值大于等于50MΩ的电阻，多个串联而成，保护电阻1-3在充电过程中可以限制直流升压模块1-2向储能电容组1-6的充电速度，防止充电速度过快而损坏电容，而在放电点火过程中，可以防止回流电流过大，保护直流稳压电源1-1。

储能组件为储能电容组1-4，采用高压薄膜电容，电容组的总容值大于或等于 1.1μF，额定电压20kV，其作用是储存由直流升压模块1-2输出的高压直流电中的能量，并在放电回路接通时将能量释放，用于点火。

点火回路包括点火继电器1-7，并与点火模块1-8相连接。点火模块1-8所述点火模块包括两根相互垂直放置的点火针、螺纹堵头2-2及与之对应的爆震管前端2-3。轴向点火针2-1通过螺纹堵头2-2固定于爆震管端壁处，径向点火针2-4通过爆震管侧壁的孔插入管内，并固定于侧壁上，两枚点火针的针尖均位于爆震管的轴线上，可以通过调整螺纹堵头2-2使轴向点火针沿轴向移动，从而改变两点火针针尖的距离，这一距离由实验所需的点火能量决定。点火继电器1-7为常断型真空高压继电器，其作用为点火时点火的开关。

放电与测压组件包括放电继电器1-4和电压监测模块1-5。放电继电器1-4为常断型真空高压继电器。电压监测模块1-5是一个大量程、高灵敏度的高压电压表，用于实时监测储能电容组1-6的电压，以便及时切断电源。

工作时，首先根据实验需求确定点火模块1-8中点火针之间的距离，将轴向点火针2-4固定于爆震管前段2-3的相应位置，之后进行爆震管内可燃混气的填充。可燃混气充满爆震管后，将头部密封栓2-2和轴向点火针固定到爆震管前段2-3上，调节点火针间隙距离。之后检查电路是否完整，并接通直流稳压电源1-1。在充电过程中，首先将直流稳压电源1-1的输出电压调至0V，之后逐渐增加输出电压并持续观察电压监测模块1-5的示数(即储能电容组1-4电压)，以避免电流突增对储能电容组的不利影响。当电压监测模块1-5的示数达到实验所需电压值，充电结束，切断直流稳压电源1-1的输出，接通点火继电器1-7的电源，点火回路接通。点火回路接通后，在高电压的作用下，点火模块1-8中两点火针之间的空气被击穿，形成低电阻的放电回路。能量的被释放，使火花塞间隙周围的空气因电离和受热而迅速膨胀，温度急剧升高，实现高能点火的目的。点火结束后，可接通放电继电器1-4，释放电容内残余的能量，从而在进行电路检查时确保人身安全，

本实例中，利用电容储能直接放电的设计，能够成功地在较宽的电压范围内对气态燃料混气进行利用高能点火的单次爆震燃烧实验。由于点火能量对爆震的影响是爆震研究的重要内容之一，本发明能够进一步促进爆震燃烧的实验研究。