[发明专利]一种固液火箭发动机燃料的质量流量诊断系统及方法

说明书

本发明实施例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，包括：测控模块，发动机，发射模块，接收模块以及处理模块；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氟化锆光纤穿过所述流场后，被所述接收模块接收，且由所述接收模块将接收的激光信号发送至所述处理模块，由所述处理模块确定固体燃料质量流量。该系统结构简单，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。

技术领域

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、Plasma Capacitance Gauge(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。

发明内容

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；