一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置及方法与流程

1.本发明属于液体火箭发动机点火监测领域，特别涉及一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置及方法。

背景技术：

2.国内外液体火箭发动机广泛采用火炬式电点火器进行点火，其具有点火能量高、可多次启动、结构简单、便于维护的特点，但是受到推进剂状态(气态、液态、气液两相)、吹除工质积存量、火花能量、背压环境等诸多因素影响，点火器工作在大范围变动的工况下，通用的测试手段(温度、压力、振动等)很难判断点火器内工作状态，进而导致发动机点火失败，甚至由于点火延迟时间过长引发发动机爆炸。
3.目前的液体火箭发动机火炬式电点火器点火诊断装置具备以下不足：传统的点火状态判断根据火焰的瞬时参数状态判断是否点火成功，存在误判的风险。

技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置及方法，通过对火焰特征谱段的光强进行时间积分判断火焰是否连续可靠，提高点火判断的精度。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，包括：光学传感器、光纤和燃烧分析仪，所述光学传感器用于采集点火器内火焰的光学信号，通过所述光纤传输至燃烧分析仪，所述燃烧分析仪根据光学信号，采用点火判断算法对点火状态进行判断，所述点火判断算法表达式为：
[0007][0008]
式中，ii(t)为火焰在特征谱段范围内的光强，i
*
为点火阈值；
[0009]
当满足上述表达式时，判定点火成功，否则判定点火失败。
[0010]
优选的，所述特征谱段波长范围为305～315nm。
[0011]
优选的，所述光学传感器包括：外壳、石英玻璃透镜、垫圈和光纤接头；用于与点火器连接的所述外壳内部设有腔体，所述腔体设有台阶结构，所述石英玻璃透镜、垫圈与光纤接头由下至上依次安装在所述腔体内；所述石英玻璃透镜为阶梯结构，通过所述台阶结构固定在所述腔体下端部；所述光纤接头的下端将所述垫圈压紧在所述石英玻璃透镜上；所述光纤的一端内嵌于所述光纤接头中。
[0012]
优选的，所述光纤接头与所述外壳连接处涂抹有密封胶，所述密封胶的工作温度不低于800℃。
[0013]
优选的，所述石英玻璃透镜的厚度满足如下表达式：
[0014][0015]
式中：r为石英玻璃透镜阶梯结构尺寸较小部分的半径，h为石英玻璃透镜整体的最大厚度，σ为石英玻璃透镜在压力温度载荷下最大拉应力，t为石英玻璃透镜温度，f(σ,t)为关于σ、t函数组，α、λ、ρ、e、c
p
分别为石英玻璃透镜的热膨胀系数、导热系数、密度、弹性模量和定压比热容，hg、tg、p分别为点火器点火产生的燃气的对流换热系数、温度和压力，π为圆周率常数。
[0016]
优选的，所述石英玻璃透镜的工作温度不低于500k。
[0017]
优选的，所述石英玻璃透镜为透光波段为275～320nm的uvb紫外波段透镜。
[0018]
优选的，所述石英玻璃透镜为透光波段为380～780nm的可见光透镜。
[0019]
优选的，所述垫圈为紫铜材质的平垫圈。
[0020]
一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断方法，包括如下步骤：
[0021]
步骤a、将石英玻璃透镜通过台阶结构固定在外壳内部腔体的下端部，光纤接头的下端将垫圈压紧在所述石英玻璃透镜上，光纤的一端内嵌于光纤接头中；
[0022]
步骤b、将光学传感器通过外壳与点火器燃气腔连接；
[0023]
步骤c、点火器点火后，光学传感器的石英玻璃透镜采集点火器内火焰的光学信号并传输至光纤；
[0024]
步骤d、光纤将采集的光学信号传输至燃烧分析仪；
[0025]
步骤e、燃烧分析仪根据采集的光学信号采用点火判断算法对点火状态进行判断，所述点火判断算法表达式为：
[0026][0027]
式中，ii(t)火焰在特征谱段范围内的光强，i
*
为点火阈值；
[0028]
当满足上述表达式时，判定点火成功，否则判定点火失败。
[0029]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0030]
(1)本发明的用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置及方法采用点火判断算法对点火状态进行判断，通过对特征谱段光强进行时间积分从而判断是否产生可靠连续火焰，确保足够的点火能量，从而提高液体火箭发动机点火判断的精度与可靠性；
[0031]
(2)本发明的用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置耐高温高压光学传感器端部选用石英玻璃透镜，用以隔绝高温燃气，可耐最高温度1000k，最高压力10mpa；
[0032]
(3)本发明的用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置耐高温高压光学传感器光纤接头与外壳采用平铜垫及高温密封胶两道密封方式，耐压超过10mpa；
[0033]
(4)本发明的用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置及方法采用耐高温高压光学传感器直接观测点火过程，获取特定谱段的燃烧光学参数，在点火器工作过程中即时分析反馈火焰状态，可重复使用，提升了液体火箭发动机的点火可靠性。
附图说明
[0034]
图1为本发明用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置结构示意图；
[0035]
图2为本发明用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置的耐高温高压光学传感器结构示意图。
具体实施方式
[0036]
一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，如图1所示，包括：耐高温高压光学传感器2、光纤3和燃烧分析仪4，所述耐高温高压光学传感器2与点火器1燃气腔相连，用于采集点火器内火焰的光学信号，通过所述光纤3传输至燃烧分析仪4，所述光纤3与耐高温高压光学传感器2连接的一端为输入端，与所述燃烧分析仪4连接的一端为输出端；所述燃烧分析仪4根据光学信号对火焰状态进行诊断，进一步将诊断传递给发动机测控系统5，测控系统5记录点火器内的燃烧光学信息，并根据分析结果决定液体火箭发动机是否继续工作。
[0037]
具体讲，所述燃烧分析仪4采用点火判断算法对点火状态进行判断，所述点火判断算法通过对火焰特征谱段光强进行时间积分从而判断是否产生可靠连续火焰，表达式为：
[0038][0039]
式中，ii(t)为火焰在特征谱段内的光强，i
*
为点火阈值，点火阈值根据试验标定，由点火温度确定，点火温度根据点火介质和点火装置工况确定。当满足上述表达式时，判定点火成功，否则判定点火失败。
[0040]
液体火箭发动机启动过程中存在点火延迟、吹熄、脉冲火焰、爆燃等跟时间强烈相关的的燃烧现象，本发明通过对火焰特征谱段的光强进行时间积分判断火焰是否连续可靠，确保足够的点火能量，从而提高液体火箭发动机点火判断的精度与可靠性。
[0041]
积分时间根据液体火箭发动机的点火时序进行确定。
[0042]
火焰特征谱段根据燃烧工质进行选取，包括oh、ch、c2等特征谱段，如氢\氧推进剂及甲烷\氧推进剂选用oh作为特征谱段。
[0043]
在一具体实施例中，对火焰特征频率oh自由基发射光谱进行计算分析，当在波长305～315nm范围内的光强ii(t)在0.5s内的累积值大于i
*
时认为点火成功，否则判定点火失败。
[0044]
所述耐高温高压光学传感器2包括：外壳6、石英玻璃透镜7、垫圈8和光纤接头9；图2为本发明耐高温高压光学传感器2的一种具体实施方式，所述外壳6下段外部为圆柱结构，与点火器的连接处加工有外螺纹，所述外壳6内部设有圆柱腔体，所述腔体设有台阶结构，所述腔体上段与所述光纤接头9的配合处加工有内螺纹，所述石英玻璃透镜7、垫圈8与光纤接头9由下至上依次安装在所述腔体内；在本实施例中，所述外壳6采用不锈钢材料加工而成。
[0045]
具体讲，所述石英玻璃透镜7为阶梯圆柱结构，通过所述腔体的台阶结构固定在所述腔体下端部；在本实施例中，所述石英玻璃透镜7为平透镜，最高工作温度为1000k，最高工作压力为10mpa，用以隔绝高温燃气，防止光纤3产生烧蚀，并采集火焰光学信号传递至所述光纤3。为保证所述石英玻璃透镜7在高温高压的工作环境下正常工作，根据燃气侧温度
及耐压性能综合优化选取其厚度，计算表达式如下：
[0046][0047]
式中：r为石英玻璃透镜阶梯结构尺寸较小部分的半径，h为石英玻璃透镜整体的最大厚度，σ为石英玻璃透镜在压力温度载荷下最大拉应力，t为石英玻璃透镜温度，其为厚度h和时间t的函数，f(σ,t)为关于σ、t函数组，α、λ、ρ、e、c
p
分别为石英玻璃透镜的热膨胀系数、导热系数、密度、弹性模量和定压比热容，hg、tg、p分别为点火器点火产生的燃气的对流换热系数、温度和压力，π为圆周率常数。
[0048]
在本实施例中，所述石英玻璃透镜7厚度为2mm。
[0049]
进一步，在所述石英玻璃透镜7侧表面镀膜，从而实现全反射传光，提高光学信号采集准确率。
[0050]
进一步，所述石英玻璃透镜7根据不同燃烧工质的特征光谱范围选定相应的透射波长范围，以oh作为特征谱段时选用透射波长范围为275～320nm的uvb紫外波段透镜，以ch和c2作为特征谱段时选用透射波长范围为380～780nm的可见光透镜。
[0051]
具体讲，所述垫圈8为圆环结构，位于所述光纤接头9与石英玻璃透镜7之间，所述光纤接头9与石英玻璃透镜7通过压紧所述垫圈8形成第一道燃气密封。所述垫圈8使所述石英玻璃透镜7与所述光纤接头9之间形成一段空气空腔，空气导热能力较差，能够进一步降低燃气的高温对于光纤3的影响。
[0052]
进一步，所述垫圈8为紫铜材质，材质软且无尖锐结构，在压紧状态下最大程度避免诱发石英玻璃透镜产生裂纹。
[0053]
在本实施例中，所述光纤接头9为阶梯圆柱结构，所述光纤接头9上段与所述腔体上段配合处加工有外螺纹，所述光纤接头9的下段为光滑圆柱，所述光纤接头9的下端将所述垫圈8压紧在所述石英玻璃透镜7上，所述光纤接头9的肩部设有缩肩结构，保证所述光纤接头9能够尽量下旋，从而压紧所述垫圈8，所述光纤接头9下段与所述外壳腔体为间隙配合。
[0054]
进一步，所述光纤接头9与所述外壳6配合处的外螺纹及内螺纹上涂抹有密封胶，所述密封胶最高工作温度为1200℃，形成第二道燃气密封，与所述垫圈8形成的第一道燃气密封共同保证所述耐高温高压光学传感器2的耐高压性能，耐压超过10mpa。
[0055]
具体讲，所述光纤3的输入端内嵌于所述光纤接头9中，接收所述石英玻璃透镜7采集的火焰光学信号。
[0056]
进一步，所述光纤3为柔性耐高温光纤束，透光谱段与所述石英玻璃透镜6的透光谱段相对应；输出端为一分二sma905标准光纤接头，可同时输出两路光学信号，起到冗余作用，提高诊断可靠性；试验过程中也可同时测量两个不同谱段的光学信号，减少试验次数，提高试验效率。
[0057]
进一步，所述耐高温高压光学传感器2还可连接光电开关、燃气检测装置等开展更多的燃烧基础研究。
[0058]
具体讲，所述燃烧分析仪4响应频率高于100hz，可准确捕捉每个火花间隔内点火
器的燃烧状态；针对不同的燃烧工质，可选用不同的特征光谱，包括oh、ch、c2等作为分析对象，如氢\氧推进剂及甲烷\氧推进剂选用oh作为特征谱段，通过分析其强度特性及时间特性判定点火特性、点火延迟时间、熄火特性等。
[0059]
一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断方法，包括如下步骤：
[0060]
步骤a、将石英玻璃透镜7通过台阶结构固定在外壳6内部腔体的下端部，光纤接头9的下端将垫圈8压紧在所述石英玻璃透镜7上，光纤3的一端内嵌于光纤接头9中；
[0061]
步骤b、将光学传感器2通过外壳6与点火器燃气腔连接；
[0062]
步骤c、点火器点火后，光学传感器2的石英玻璃透镜7采集点火器内火焰的光学信号并传输至光纤3；
[0063]
步骤d、光纤3将采集的光学信号传输至燃烧分析仪4；
[0064]
步骤e、燃烧分析仪4根据采集的光学信号采用点火判断算法对点火状态进行判断，所述点火判断算法表达式为：
[0065][0066]
式中，ii(t)为火焰在特征谱段内的光强，i
*
为点火阈值，点火阈值根据试验标定，由点火温度确定，点火温度根据点火介质和点火装置工况确定。
[0067]
当满足上述表达式时，判定点火成功，否则判定点火失败。
[0068]
火焰特征谱段根据燃烧工质进行选取，包括oh、ch、c2等特征谱段，如氢\氧推进剂及甲烷\氧推进剂选用oh作为特征谱段。
[0069]
在一具体实施例中，对火焰特征频率oh自由基发射光谱进行计算分析，当在波长305～315nm范围内的光强ii(t)在0.5s内的累积值大于i
*
时认为点火成功，否则判定点火失败。
[0070]
本发明的用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置及方法用于液体火箭发动机工作的第一步，确保点火器正常点火后方能起动燃气发生器、预燃室、推力室等燃烧装置，点火过程的故障诊断措施可直接提升整个发动机系统工作的可靠性，特别是发动机的多次起动性能、起动过程中的瞬态工作特性及工作可靠性。本套光学诊断装置也可推广应用于其他燃烧装置的火焰测量分析。
[0071]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：

1.一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，包括：光学传感器(2)、光纤(3)和燃烧分析仪(4)，所述光学传感器(2)用于采集点火器内火焰的光学信号，通过所述光纤(3)传输至燃烧分析仪(4)，所述燃烧分析仪(4)根据光学信号，采用点火判断算法对点火状态进行判断，所述点火判断算法表达式为：式中，i
i
(t)为火焰在特征谱段范围内的光强，i
*
为点火阈值；当满足上述表达式时，判定点火成功，否则判定点火失败。2.根据权利要求1所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述特征谱段波长范围为305～315nm。3.根据权利要求1所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述光学传感器(2)包括：外壳(6)、石英玻璃透镜(7)、垫圈(8)和光纤接头(9)；用于与点火器连接的所述外壳(6)内部设有腔体，所述腔体设有台阶结构，所述石英玻璃透镜(7)、垫圈(8)与光纤接头(9)由下至上依次安装在所述腔体内；所述石英玻璃透镜(7)为阶梯结构，通过所述台阶结构固定在所述腔体下端部；所述光纤接头(9)的下端将所述垫圈(8)压紧在所述石英玻璃透镜(7)上；所述光纤(3)的一端内嵌于所述光纤接头(9)中。4.根据权利要求3所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述光纤接头(9)与所述外壳(6)连接处涂抹有密封胶，所述密封胶的工作温度不低于800℃。5.根据权利要求4所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述石英玻璃透镜(7)的厚度满足如下表达式：式中：r为石英玻璃透镜阶梯结构尺寸较小部分的半径，h为石英玻璃透镜整体的最大厚度，σ为石英玻璃透镜在压力温度载荷下最大拉应力，t为石英玻璃透镜温度，f(σ,t)为关于σ、t函数组，α、λ、ρ、e、c
p
分别为石英玻璃透镜的热膨胀系数、导热系数、密度、弹性模量和定压比热容，h
g
、t
g
、p分别为点火器点火产生的燃气的对流换热系数、温度和压力，π为圆周率常数。6.根据权利要求5所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述石英玻璃透镜(7)的工作温度不低于500k。7.根据权利要求3～6之一所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述石英玻璃透镜(7)为透光波段为275～320nm的uvb紫外波段透镜。8.根据权利要求3～6之一所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述石英玻璃透镜(7)为透光波段为380～780nm的可见光透镜。9.根据权利要求3～6之一所述的一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，其特征在于，所述垫圈(8)为紫铜材质的平垫圈。10.一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a、将石英玻璃透镜(7)通过台阶结构固定在外壳(6)内部腔体的下端部，光纤接头(9)的下端将垫圈(8)压紧在所述石英玻璃透镜(7)上，光纤(3)的一端内嵌于光纤接头(9)中；步骤b、将光学传感器(2)通过外壳(6)与点火器燃气腔连接；步骤c、点火器点火后，光学传感器(2)的石英玻璃透镜(7)采集点火器内火焰的光学信号并传输至光纤(3)；步骤d、光纤(3)将采集的光学信号传输至燃烧分析仪(4)；步骤e、燃烧分析仪(4)根据采集的光学信号采用点火判断算法对点火状态进行判断，所述点火判断算法表达式为：式中，i
i
(t)火焰在特征谱段范围内的光强，i
*
为点火阈值；当满足上述表达式时，判定点火成功，否则判定点火失败。

技术总结

本发明提供了一种用于液体火箭发动机的光学点火诊断装置，包括：光学传感器(2)、光纤(3)和燃烧分析仪(4)，所述光学传感器(2)用于采集点火器内火焰的光学信号，通过所述光纤(3)传输至燃烧分析仪(4)，所述燃烧分析仪(4)根据光学信号，采用点火判断算法对点火状态进行判断。本发明还提供了使用该装置进行液体火箭发动机点火诊断的方法。本发明装置及方法具有响应速度快，可重复使用，可对点火过程进行量化分析的优点，有效提升了液体火箭发动机点火的可靠性。火的可靠性。火的可靠性。