[發(fā)明專利]一種真空低溫環(huán)境下羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2013-11-27
• 公開（公告）號: CN103675084A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設計）人: 賀碧蛟;商圣飛;劉立輝;王文龍;蔡國飆
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N27/62
• 分類號: G01N27/62
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種適用于測量真空低溫環(huán)境下的火箭發(fā)動機羽流組分及其空間分布的測量系統(tǒng)及測量技術(shù)，屬于真空羽流污染效應測量技術(shù)領域，具體是一種測量真空超低溫環(huán)境下的火箭發(fā)動機羽流的成分，提供羽流組分的空間分布的測量裝置及技術(shù)方案。

背景技術(shù)

真空羽流的不同組分在空間中的擴散性質(zhì)不同，因此導致羽流的定向或者返流污染的成分也有所不同。火箭發(fā)動機羽流組分的分析對評估羽流污染的來源及污染成分有重要的意義，其直接影響航天器的使用壽命。目前的稀薄氣體動力學中DSMC仿真算法中的多組分粒子的分子模型（例如HS、VHS模型）對多組分的模擬結(jié)果與實際情況相差較大，主要原因是相關(guān)參數(shù)的修正缺乏試驗數(shù)據(jù)的支持。

然而目前國內(nèi)還沒有對真空低溫環(huán)境下火箭發(fā)動機羽流的組分及空間分布測量的裝置，也未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)有對真空羽流的組分測量的文章報道。但在電推進領域有人對電推進的沉積物進行分析，但是其沉積物是固體，采用開艙常溫測量的手段，與氣相污染相差甚遠。國外在發(fā)動機及燃燒流動領域有PLIF測量燃氣的成分的文章報道，但是PLIF在大型真空艙外對艙內(nèi)成分測量有以下幾個問題：

（1）PLIF試驗裝備體積龐大，價格昂貴，屬于光學儀器范疇，因此在大型真空艙（Φ5m×12m）的觀察窗外放置需架高2.5m的高度，光學穩(wěn)定防振要求較高；

（2）PLIF的激光對觀察窗玻璃要求苛刻，其波長為紫外光，并且對透光率要求較高，另外其激光要在艙內(nèi)導光需要反射鏡，目前國內(nèi)還沒有能在所述真空、低溫環(huán)境下使用的鏡片，國外獲得途徑比較困難；另外在發(fā)動機點火時很可能會污染鏡片，導致鏡片反射率下降，吸收能量增加，甚至被激光燒壞，因此鏡片的防污染、防低溫等防護措施的實施比較困難；

（3）PLIF的采集相機也是要求比較苛刻，限制在相應波段，價格昂貴；另外PLIF原理是激發(fā)不同組分基團發(fā)出熒光，測得的信號是圖像信號，數(shù)據(jù)處理復雜，且需要獨立標定。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種真空低溫環(huán)境下羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)及方法，能夠節(jié)省試驗成本及數(shù)據(jù)處理難度；實現(xiàn)了超低溫真空環(huán)境下的火箭發(fā)動機羽流多組分的空間分布測量。

本發(fā)明真空低溫環(huán)境下羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)，包括真空艙與真空艙內(nèi)部的火箭發(fā)動機，還包括三維移動機構(gòu)、羽流引流管路、質(zhì)譜儀、PC機以及由加熱片、管路加熱帶、溫控儀構(gòu)成的溫控系統(tǒng)。

所述三維移動機構(gòu)設置于真空艙內(nèi)部，且具有失電制動系統(tǒng)。三維移動機構(gòu)中三個驅(qū)動電機由驅(qū)動電機控制器控制開關(guān)；失電制動系統(tǒng)由制動控制器控制開關(guān)；且三個驅(qū)動電機表面均安裝有加熱片。加熱片通過加熱片連接導線與真空艙外部設置的溫控儀相接；通過溫控儀控制加熱片的加熱溫度。

所述羽流引流管路包括羽流測量探頭、不銹鋼引流硬管、艙內(nèi)引流軟管、手閥與艙外波紋管。其中，不銹鋼引流硬管安裝在三維移動機構(gòu)上；不銹鋼引流硬管一端安裝有羽流測量探頭，另一端與艙內(nèi)引流軟管一端相連；艙內(nèi)引流軟管另一端通過穿艙法蘭與真空艙外部連通，并通過手閥與艙外波紋管一端相連，艙外波紋管另一端連接質(zhì)譜儀。質(zhì)譜儀與PC機通訊連接。

采用上述真空低溫環(huán)境下羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)的測量方法，通過下述步驟完成：

步驟1：進行測量前，預熱質(zhì)譜儀。

步驟2：打開手閥，啟動真空艙的抽真空系統(tǒng)，進行抽真空；并控制加熱片與管路加熱帶為三維移動機構(gòu)中的三個驅(qū)動電機以及艙內(nèi)引流管路進行溫度控制。

步驟3：使真空艙內(nèi)形成超低溫環(huán)境。

步驟4：待真空艙內(nèi)真空度達到試驗所需真空度后，通過質(zhì)譜儀測量真空艙內(nèi)背景氣體成分。

步驟5：控制三維移動機構(gòu)將羽流測量探頭定位于待測測點位置。

步驟6：火箭發(fā)動機點火，測量待測測點處的羽流空間組分。

步驟7：關(guān)閉火箭發(fā)動機，返回執(zhí)行步驟4～6進行下一待測測點的羽流空間組分，直至全部待測測點測量完畢。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)了真空、低溫環(huán)境下的發(fā)動機羽流的羽流多組分空間分布的一次性測量；

2、本發(fā)明羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)及方法，相對于其他非接觸測量方法有試驗相對經(jīng)濟、簡單的優(yōu)點；

3、本發(fā)明羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)了實時測量，數(shù)據(jù)準確直觀后期數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明羽流多組分空間分布測量系統(tǒng)示意圖；