一种固体火箭发动机安全响应系统及使用方法

本发明涉及一种固体火箭发动机安全响应系统及使用方法，属于火箭发动机安全检测设备领域。

背景技术：

1、航天装备水平是反映国家航天能力，衡量综合国力的重要标志。航天发动机作为这些装备的核心部件，它的健康状态直接决定了空天装备能否正常稳定运行。火箭发动机内部处于高温高压状态，无法使用探针以及直接测温的方式对其燃烧产物与室内温度进行探测，需要一种可以不直接接触发动机内部高温高压环境的测量方式对发动机燃料的燃烧状态进行实时评估以确保火箭发动机在运行中的稳定运行。

2、因此，如何运用有效、准确的测试手段对发动机内部燃料燃烧情况进行燃烧评估具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种固体火箭发动机安全响应系统及使用方法，基于可调谐激光吸收光谱技术，开发了一套可靠的气体浓度监测系统，在监测气体浓度时，选择合适的谱线强度作为浓度测量的目标线，标定不同温度和电流的激光器性能，进一步校准系统性能。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种固体火箭发动机安全响应系统，包括：爆炸气体标定系统，发动机燃烧测量系统和远程控制反馈系统，其中：

4、所述爆炸气体标定系统包括依次连接的第一氦氖激光发射器、高压燃烧室、三个传感器、信号放大器以及控制端，其中，三个传感器分别为第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器；

5、所述发动机燃烧测量系统包括依次连接的第二氦氖激光发射器、三个光电传感器、信号收集器以及数据传输端，其中，三个光电传感器分别为第四光电传感器、第五光电传感器、第六光电传感器；

6、所述远程控制反馈系统，分别与爆炸气体标定系统中的控制端以及发动机燃烧测量系统中的数据传输端通信连接，用于通过接收的数据进行火箭发动机的各项调控。

7、进一步的，所述高压燃烧室内设有热台和放置于热台上的燃料样品。

8、进一步的，所述高压燃烧室内还设有激光点火器，用于使燃料样品在短时间内瞬间加热以至爆炸、部分爆轰、爆轰。

9、进一步的，所述远程控制反馈系统拥有一个数据库并且链接了hitran数据库。

10、第二方面，本发明提供一种根据前述任一项所述的固体火箭发动机安全响应系统的使用方法，包括：

11、通过燃料燃烧标定系统对燃料进行燃烧标定实验，在爆炸容器中加入火箭固体燃料样品对其进行六种发动机响应状态下的引燃实验，六种状态分别对应无反应、燃烧、爆燃、爆炸、部分爆轰、爆轰6种，收集到的对应响应状态下的标定数据上传至远程控制反馈系统的数据库中；

12、在火箭发动机的燃烧室中进行燃料燃烧，当燃料开始燃烧时，光电传感器发射光电信号触发发动机燃烧测量系统进行燃烧测量，将燃烧测量数据传输至远程控制反馈系统；

13、远程控制反馈系统接收燃烧测量数据后，与数据库中存储的标定数据进行配对，根据配对的结果进行火箭发动机的各项调控。

14、进一步的，所述通过燃料燃烧标定系统对燃料进行燃烧标定实验，具体包括：

15、由第一氦氖激光发射器发射632.8nm波长的激光透过激光整形镜射入高压燃烧室，再透过另一整形镜将激光收束传至第一光电传感器接收端，高压燃烧室另外两端装有第二光电传感器、第三光电传感器，分别用于测量660nm与550nm波长的光强，在燃烧室内放置燃料样品于热台上方，三个传感器接收信号传输至信号放大器，最终传输至控制端，通过控制端使之传输至远程控制反馈系统的数据库中；

16、设置热台温度以及升温速率，使热台加热其上方的燃料样品燃烧以同时在控制端出发光电传感器的采集，以标定其燃烧状态的参数；随后关闭热台，待降温至室温时更换燃料样品，开启二氧化碳激光点火器，调节其功率使样品在短时间内瞬间加热以至爆炸、部分爆轰、爆轰，进行爆炸、部分爆轰、爆轰的标定；

17、将所收集到的标定数据打好标签，从控制端传输至远程控制反馈系统的数据库中，标定步骤就此完成。

18、进一步的，所述光电传感器发射光电信号触发发动机燃烧测量系统进行燃烧测量，包括：

19、当发动机燃烧室内部燃料开始燃烧时，三个光电传感器发出响应，当强度达到一定程度，激发发动机燃烧测量系统；

20、第二氦氖激光发射器发射氦氖激光，通过第四光电传感器收集氦氖激光经过燃烧气态产物后的光强信号，通过第四光电传感器、第五光电传感器接收测量660nm、550nm波长的强度信号；信号通过信号收集器传输至远程控制反馈系统。

21、进一步的，所述远程控制反馈系统接收信号收集器发送的信号数据后，在端口进行数据的高斯滤波，与数据库中对应的燃烧响应状态配对，配对完成后将响应状态数据显示出来。

22、进一步的，所述爆炸气体标定系统中，第一氦氖激光发射器发射的激光经过不同种类的气体、不同浓度的气体后，激光强度的衰减遵循lambert-beer定律，一束频率为v的单色光通过含有吸光气体的吸收池后，吸收测量，透射光的强度表示为：

23、

24、式中p为气体介质压强；x为测量气体的体积浓度；l为光束经过测量区域的长度；s(t)为所选谱线线强；为气体吸收谱线的线型函数；i为入射光强；i0为透射光强；

25、谱线强度随温度的变化为：

26、

27、其中，t为待测区域气体温度，t0为参考温度，ei″为低跃迁能量，v0,i为跃迁频率，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c为光速，q(t)为总的分子内部分割函数；

28、根据两条谱线随温度变化特性的不同，得到吸收谱线强度比值r并结合上式，得到待测区域气体温度t:

29、

30、经过锁相放大器及低通滤波器后，得到谐波信号并利用二次谐波峰值反演气体浓度：

31、

32、其中，δvc为气体吸收谱线的半高全宽，m为调制深度，p2f-0为二次谐波最大值，β为探测器光电转换系数与锁相放大器增益的乘积。

33、进一步的，所述总的分子内部分割函数q(t)由hitran数据库得到，与温度的拟合关系为：

34、q(t)＝a1+b1t2+c1t3+d1t4

35、其中，a1、b1、c1、d1均为拟合系数。

36、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

37、本发明提供一种固体火箭发动机安全响应系统及使用方法，基于可调谐激光吸收光谱技术，开发了一套可靠的气体浓度监测系统，在监测气体浓度时，选择合适的谱线强度作为浓度测量的目标线，标定不同温度和电流的激光器性能，进一步校准系统性能，本发明充分发挥了可调谐激光吸收光谱技术的优点应用于火箭发动机内部的燃烧响应情况，对其燃烧情况进行实时监测，这对火箭发动机的安全运行以及整个航天项目的安全进展有着极为重要的意义。

技术特征：

1.一种固体火箭发动机安全响应系统，其特征在于，包括：爆炸气体标定系统，发动机燃烧测量系统和远程控制反馈系统，其中：

2.根据权利要求1所述的固体火箭发动机安全响应系统，其特征在于，所述高压燃烧室内设有热台和放置于热台上的燃料样品。

3.根据权利要求2所述的固体火箭发动机安全响应系统，其特征在于，所述高压燃烧室内还设有激光点火器，用于使燃料样品在短时间内瞬间加热以至爆炸、部分爆轰、爆轰。

4.根据权利要求1所述的固体火箭发动机安全响应系统，其特征在于，所述远程控制反馈系统拥有一个数据库并且链接了hitran数据库。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的固体火箭发动机安全响应系统的使用方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的固体火箭发动机安全响应系统的使用方法，其特征在于，所述通过燃料燃烧标定系统对燃料进行燃烧标定实验，具体包括：

7.根据权利要求5所述的固体火箭发动机安全响应系统的使用方法，其特征在于，所述光电传感器发射光电信号触发发动机燃烧测量系统进行燃烧测量，包括：

8.根据权利要求5所述的固体火箭发动机安全响应系统的使用方法，其特征在于，所述远程控制反馈系统接收信号收集器发送的信号数据后，在端口进行数据的高斯滤波，与数据库中对应的燃烧响应状态配对，配对完成后将响应状态数据显示出来。

9.根据权利要求5所述的固体火箭发动机安全响应系统的使用方法，其特征在于，所述爆炸气体标定系统中，第一氦氖激光发射器发射的激光经过不同种类的气体、不同浓度的气体后，激光强度的衰减遵循lambert-beer定律，一束频率为v的单色光通过含有吸光气体的吸收池后，吸收测量，透射光的强度表示为：

10.根据权利要求9所述的固体火箭发动机安全响应系统的使用方法，其特征在于，所述总的分子内部分割函数q(t)由hitran数据库得到，与温度的拟合关系为：

技术总结
本发明公开了一种固体火箭发动机安全响应系统及使用方法，所述系统包括：爆炸气体标定系统，发动机燃烧测量系统和远程控制反馈系统，其中：所述爆炸气体标定系统包括依次连接的第一氦氖激光发射器、高压燃烧室、三个传感器、信号放大器以及控制端；所述发动机燃烧测量系统包括依次连接的第二氦氖激光发射器、三个光电传感器、信号收集器以及数据传输端；所述远程控制反馈系统，用于通过接收的数据进行火箭发动机的各项调控，本发明充分发挥了可调谐激光吸收光谱技术的优点应用于火箭发动机内部的燃烧响应情况，对其燃烧情况进行实时监测，这对火箭发动机的安全运行以及整个飞行项目的安全进展有着极为重要的意义。

技术研发人员：纪冲,王昕,赵长啸,王钰婷,杨贵丽,钟明寿
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22