一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统及方法与流程

本发明实施例涉及固液火箭发动机技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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

本发明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，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明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

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

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，如图1所示，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1，发动机2，发射模块，接收模块以及处理模块10。

本实施例中的发射模块包括：tdlas信号调制及数据处理模块5、激光器6以及自聚焦准直透镜7。接收模块包括：激光接收端8以及光电探测器9。

测控模块1通过向发动机2内充入指定流量的氧气，使氧气与发动机内的固体燃料发生燃烧产生燃气经发动机的喷管喷出形成高速流场；

如图1所述，通过tdlas信号调制及数据处理模块5通过电流调制和温度调制使激光器6输出激光信号，激光信号经单模y型氟化锆光纤进入自聚焦准直透镜7，由自聚焦准直透镜8进行准直后穿过高速流场，并射入激光接收端8，激光接收端8将激光信号发送至光电探测器9进行光电转换得到电压信号，光电探测器9将电压信号反馈给tdlas信号调制及数据处理模块5。

tdlas信号调制及数据处理模块5根据电压信号得到喷管出口的气流静温以及水分压，并将气流静温以及水分压传输至处理模块10，由处理模块10根据气流静温以及水分压计算固体燃料总质量流量。

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。

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：

步骤s11、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；其中平均总流量为mtotal，平均氧燃比为总压强为ptotal。固液火箭发动机燃料为化学分子式已知的碳氢类燃料,如石蜡、聚乙烯、端羟基聚丁二烯等。

步骤s12、依据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；

将平均氧燃比为总压强为ptotal带入化学平衡计算工具，得到燃气比热比γ，燃气气体常数r，总温度ttotal以及组分配比。其中化学平衡计算工具为：cea或chemkin。

步骤s13、对固液火箭发动机的喷管出口采用tdlas技术测量，得到喷管出口的气流静温以及水分压；

其中，该步骤主要包括：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；激光信号包括：扫描频率为2-10khz，单周期内包含4029.5cm^-1、4030.6cm^-1和4030.7cm^-1三条吸收谱线。激光信号通过单模y型氟化锆光纤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；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。

具体的，基于吸收光谱原理，当一束频率为v的激光通过高速流场，其出射光强it和入射光强i0满足beer-lambert关系式：

(lt/l0)v＝exp(-kv*l)(1)

式中：kv(cm^-1)为吸收系数，l(cm)为吸收长度。其中吸收系数kv是吸收组分分压ph2o(这里以h2o作为研究组分，atm)，吸收谱线线强度s(t)(cm^-2atm^-1)，线型函数φ(v)(cm)的函数：

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kvl称之为光谱吸收率αv，计算公式如下：

任意温度下的线强度s(t)由已知温度t0的线强度计算得到：

式中：eⁿ(cm^-1)为吸收跃迁的低能级能量，h(j·s)为普朗克常数，c(cm/s)为光速，k(j/k)是波尔兹曼常数，q(t)是配分函数，它反映了在所处温度t(k)下，在对应吸收低能级上的粒子数占总粒子数的比值。

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tmeasured，进而根据式(3)得到吸收组分分压

图3给出某实验获得tdlas的原始数据。在一个扫描周期可同时获得4029.5cm^-1、4030.6cm^-1和4030.7cm^-1三条吸收谱线，基于其积分吸收率可同时实现喷管出口温度tmeasured和吸收组分分压的测量。

步骤s14、选取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；

步骤s15、将平均总流量、燃气比热比，燃气气体常数，总温度以及组分配比输入cfd模型中，得到喷管出口处的气流速度；

通过icem软件建立喷管二维轴对称模型，划分结构网格后导入fastran中进行计算。其中，进口与出口边界条件选择压力入口与压力出口条件，考虑气体粘性，计算模型选取k-ωsst模型。带入cea计算结果ttotal及燃气组分，得到的模拟结果如图4所示。截取喷管出口截面的速度剖面如图5所示，获得喷管出口气流速度的平均值。

此外，本步骤还包括对喷管cfd计算进行修正，具体方法为：对喷管cfd模型修正，调整流体网格尺度；对边界条件进行修正，调整喷管壁面条件。

步骤s16、根据气流速度、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；

基于给定喷管的截面面积σ^*，以及氢原子守恒，在根据气流速度、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：

步骤s17、根据燃烧效率和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。

其中，燃烧效率为

根据参与燃烧反应的固体燃料质量流量以及燃烧效率计算固体燃料总质量流量的公式如下：mfueltotal＝mfuelburn/η。

本发明提出方法是综合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。

本发明通过测量燃烧产物从而实现燃料质量流量的实时测量，反应发动机内部燃料实际燃烧情况，测量过程不受药柱结构、燃烧室压力的影响。还可通过数值模拟热化学反应气体，根据实验条件和结果更加真实地模拟发动机出口流动情况。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。