[发明专利]一种周期性交流驱动低温等离子体点火方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天发动机点火燃烧推进技术领域，尤其涉及一种周期性交流驱动低温等离子体点火方法及系统。

背景技术

军备竞赛的发展，以航空发动机和冲压发动机为动力的飞行器逐步向临近空间迈进，目的是提高飞行器的反侦察、反拦截能力。处于高空、高速、低压、低温飞行状态的发动机，燃烧室工况十分恶劣，易出现低压点火困难、燃烧稳定性差、燃烧效率下降等问题。为了提高发动点火的可靠性、拓宽稳定工作范围，其中可靠的点火方式至关重要，因而迫切需要研发一种新型的高效点火技术。

常见的点火方式有热表面、值班火焰、激光诱导火花、火花塞及等离子流，它们都是通过加热未燃混气，使其温度升高，产生初始自由基，再由这些初始自由基引发链式反应。对热表面点火，其点火延迟时间较长，寿命比较短；值班火焰点火则存在值斑火焰可能被吹熄的不足；激光诱导火花点火则需要聚焦高能激光脉冲；火花塞点火则是一种广泛应用、比较可靠的点火方式。上述这些点火方式都存在点火区域小的问题，当燃烧工况非常恶劣时，如高空低压点火、超音速燃烧、贫燃等问题，现有点火方式的适用性和可靠性就存在缺陷，从而会导致点火困难或点火不成功。而烟火花点火只能在发动机上一次使用，不能实现多次点火，催化点火的催化剂易失效及腐蚀，且点火延迟时间很长。

航空发动机加力燃烧室和冲压发动机燃烧室的进口压力低，特别是高空低压下，压力可低至0.04-0.05MPa，不仅着火的速度-压力边界急剧缩小，而且着火的空气燃油比边界也急剧缩小，从而造成点火困难、燃烧不稳定。为使高空低压点火在广泛飞行高度和飞行M数范围内具有可靠性，进行二次点火，一般高空点火都在较富油的情况下进行，而采用燃油增温和加氧虽可改善点火性，但却增加了系统的复杂性。为保证发动机在各种极端条件下的可靠点火，必须克服火花塞在高空低压下存在点火困难这一缺陷，希望发展一种先进的点火技术。

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine简称PDE)是未来航空航天领域一种新型的动力装置。其由进气道、阀门、爆震管、尾喷管、点火系统和控制系统组成。对PDE的研究已走过半个世纪，很多发达国家都制定了详细的研究和发展计划，投入巨资研发PDE。我国主要有西北工业大学、南京航空航天大学、南京理工大学、中科院、北京航空航天大学等单位对PDE进行了研究工作。基于目前在爆震理论、关键技术、样机研制等研究方面还存在很多困难，研究成果还没有达到理想预期及工程应用程度，因此，必须深入开展PDE的爆震机理和关键技术的研究，其中点火起爆方式是重要的关键技术之一。

PDE是利用周期性的爆震波来产生推力的动力装置，包括了混气充填、点火起爆、爆震波产生和传播以及排气等过程。PDE主要通过缩短缓燃向爆震转捩的距离和时间来形成爆震波是PDE最现实和有效的手段，是PDE的重要关键技术之一。成功有效的点火方式，采用低温等离子体点火方式，可在爆震管头部一定长度内、在整个截面同时实现大体积点火与燃烧，提高点火性能，缩短点火延迟时间，增大化学反应速率，加快爆震波的形成，从而缩短缓燃向爆震距离和时间，提高PDE性能和工作频率。

低温等离子体在生物医学、表面处理、废气处理、流动控制、燃烧等领域得到广泛应用，但目前主要采用交流驱动低温等离子体，纳秒产生低温等离子体，受电源研制水平的限制。低温等离子体点火和燃烧强化是等离子体技术的一种新的应用途径，其具有实现稀薄混合气可靠、高效点火和快速燃烧的潜力，该技术已经引起世界各国的广泛关注。交流驱动的介质阻挡放电是产生低温等离子的主要方式，能够在一定的压力下产生体积大、能量密度高的低温等离子体，且由于电极间绝缘介质的存在，避免了放电过程中易出现的局部放电或弧光放电。低温等离子体点火主要通过在可燃混合物中进行放电，利用产生的高能电子与燃料分子的碰撞引起分子的离解、激发甚至电离，产生大量的活性原子、分子和离子等物质，从而提高点火性和燃烧稳定性。使化学反应在多点进行，加速点火过程，从而成功实现了大体积点火，火焰充满整个气流通道截面，极大地缩短了着火延迟时间和改善着火极限。