CN103513002B - 用高能量密度激光实现一次硼产物点火燃烧的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及点火燃烧试验装置，旨在提供一种用高能量密度激光实现一次硼产物点火燃烧的装置。该装置由点火模块、气氛调节模块、燃烧诊断模块和数据记录模块组成，其中，点火模块包括高能量密度激光器和透明点火燃烧管，激光管由激光管支撑架固定于底座上，透明点火燃烧管架置于铁架台上，样品支架设于透明点火燃烧管中心位置。本发明可对一次硼产物样品进行迅速加热，使样品在几个毫秒内迅速升温到氧化硼沸点以上，远优于传统电热点火方式，能实现一次硼产物的快速点火和充分燃烧。激光器电功率低，接入220V家庭用电即可使用，通用性好。激光加热范围集中，能量利用效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种点火燃烧试验装置，特别涉及一次硼产物点火燃烧的装置。
背景技术
硼拥有极高的质量热值和容积热值，由其组成的推进剂比冲燃烧产物分散性好，还可显著减小喷管喉部二相流损失，被认为是推进剂中的一种优质的填料。含硼富燃料推进剂在一次烧过程中，由于环境贫氧，温度较低，不能充分点火燃烧，含有大量硼颗粒的一次燃烧产物从气发生室进入补燃室中，与空气进行掺混完成燃烧，并释放出大量热，含硼富燃料推进剂优越能量性主要是在补燃室中进行二次燃烧充分发挥出来的。所以研究一次硼产物的点火燃烧性，保证其在补燃室中顺利点火燃烧，实现高效燃烧和高能量释放，对含硼富燃推进剂的整体燃烧非常重要。
由于一次硼产物中包含的大量硼颗粒表面包裹着一层氧化硼外壳，其沸点高达2320K，在实验室中难以迅速达到如此高温实现一次硼产物的点火，严重制约了一次硼产物点火燃烧特性的实验研究。因此如何实现一次硼产物快速、充分的点火和燃烧显得尤为重要。现有一次硼产物点火装置难以实现这一目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种用高能量密度激光实现一次硼产物点火燃烧的装置。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种用高能量密度激光实现一次硼产物点火燃烧的装置，包括用于放置硼产物的样品支架；该装置由点火模块、气氛调节模块、燃烧诊断模块和数据记录模块组成，其中，点火模块包括高能量密度激光器和透明点火燃烧管；高能量密度激光器有一个中空管状的激光管，其中空部位是充有惰性保护气体的激光通路，激光管管状结构的壁中设有冷却水管路；激光管由激光管支撑架固定于底座上，保护外壳连接至底座并将激光管罩于其内；激光管发射端位于激光管的一侧，且在保护外壳上相应位置设有通过激光的贯通孔；透明点火燃烧管架置于铁架台上，所述样品支架设于透明点火燃烧管中心位置，样品支架与激光管发射端相对设置，且在两者之间的管壁上设置用于通过激光的贯通孔；
所述气氛调节模块包括通过管路依次连接的气瓶柜、电子流量控制器和流量控制阀；流量控制阀通过管路与透明点火燃烧管的一端相接，透明点火燃烧管的另一端呈敞口状；
所述燃烧诊断模块包括高速摄影仪、光纤光谱仪、红外热像仪和物理紧急开关；所述数据记录模块包括计算机，计算机分别通过信号线连接至激光管、高速摄影仪、光纤光谱仪、红外热像仪、物理紧急开关和电子流量控制器。
本发明中，所述激光管与透明点火燃烧管的中心线呈垂直相交，且在激光管与激光管发射端之间设有一个与激光管中心线呈45°夹角的反光镜。
本发明中，所述激光管的管状结构的壁中具有夹套结构，该夹套结构即冷却水管路。冷却水系统以控制激光管的温度。
保护外壳是耐高温的黑色外壳，用于防止由于激光器故障导致的激光偏移对装置及实验人员造成的损害。气体流量控制阀，可进行气体流量控制和气体切换。激光器的电路、高速摄影仪、红外热像仪、光线光谱仪可通过计算机或物理开关同步触发或停止。激光器功率可通过计算机进行精确调节，并能在实验过程中实现激光器功率的线性变化。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1.可对一次硼产物样品进行迅速加热，使样品在几个毫秒内迅速升温到2320K（氧化硼沸点）以上，远优于传统电热点火方式，能实现一次硼产物的快速点火和充分燃烧。
2.激光器电功率低（一般仅几百瓦），接入220V家庭用电即可使用，通用性好。激光加热范围集中，能量利用效率高，实验所需一次硼产物样品量少。
3.可通过计算机控制精确调节激光器功率，并能在实验过程中实现激光器功率的线性变化，为实验人员提供更丰富的点火方案。
4.一次硼产物样品在管道中点火燃烧，气流稳定，不易受外界因素干扰，且管道采用透明材料，可实现高速摄影仪、红外热像仪、光线光谱仪的无障碍观测。
5.可通过计算机控制，对一次硼产物样品燃烧时的环境气氛进行便捷的种类切换和流量控制。
6.可对一次硼产物样品点火燃烧的反应进程、表面温度、发射光谱进行实时采集和测量记录，为一次硼产物点火燃烧特性的分析提供了多角度的实验依据。
7.实现了点火与观测组件的同步触发，保证观测数据采集的完整性和有效性。
8.实现了激光器功率设置、实验气氛设置、点火及观测组件启停、实验数据采集和记录的计算机集成控制，为实验操作提供了极大便利。
9.本装置为激光器配置保护外壳，能防止设备故障导致的激光偏移对实验人员和装置可能造成的伤害。此外，还设置有物理紧急开关，当发生危险时可对装置电源进行迅速切断。装置整体具有较高的安全性。
附图说明
图1是用高能量密度激光实现一次硼产物点火燃烧的装置图。
图2是高能量密度激光器组件结构图；
图3是图1中产品的俯视图；
图4是透明点火燃烧管道组件结构图。
图中各附图标记为：1冷却水管路；2激光通路；3激光管；4激光管支撑架；5激光发射端；6底座；7保护外壳；8气瓶柜；9电子流量控制器；10流量控制阀；11透明点火燃烧管；12样品支架；13铁架台；14计算机；15高能量密度激光器；16透明点火燃烧管道；17高速摄影仪；18光纤光谱仪；19红外热像仪；20物理紧急开关。
具体实施方式
本发明利用高能量密度激光器对透明点火燃烧管道中的一次硼产物样品进行加热，使样品迅速升温，实现快速点火和充分燃烧，通过多种仪器设备对样品的点火燃烧过程进行观察、测量和分析，并对装置中各重要组件实行计算机集成控制。
下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明。
如图1所示，用高能量密度激光实现一次硼产物点火燃烧的装置由点火模块、气氛调节模块、燃烧诊断模块和数据记录模块组成，其中，点火模块包括高能量密度激光器15和透明点火燃烧管11；高能量密度激光器15有一个中空管状的激光管3，其中空部位是激光通路,通路中充有惰性保护气体。2，激光管3管状结构的壁中具有夹套结构，该夹套结构即冷却水管路1。激光管3由激光管支撑架4固定于底座6上，保护外壳7连接至底座6并将激光管3罩于其内；激光管发射端5位于激光管3的一侧，且在保护外壳7上相应位置设有通过激光的贯通孔；透明点火燃烧管11架置于铁架台13上，样品支架12设于透明点火燃烧管11中，样品支架12与激光管发射端5相对设置，且在两者之间的管壁上设置用于通过激光的贯通孔；激光管3与透明点火燃烧管11的中心线呈垂直相交，且在激光管3与激光管发射端5之间设有一个与激光管3中心线呈45°夹角的反光镜。
所述气氛调节模块包括通过管路依次连接的气瓶柜8、电子流量控制器9和流量控制阀10；流量控制阀10通过管路与透明点火燃烧管11的一端相接，透明点火燃烧管11的另一端呈敞口状；
所述燃烧诊断模块包括高速摄影仪17、光纤光谱仪18、红外热像仪19和物理紧急开关20；所述数据记录模块包括计算机14，计算机14分别通过信号线连接至激光管3、高速摄影仪17、光纤光谱仪18、红外热像仪19、物理紧急开关20和电子流量控制器9。
本发明采用高能量密度激光进行点火，激光器功率一般仅几百瓦，远低于传统点火方式，接入220V家庭用电中即可使用。本发明中，高能量密度是指足以在短时间内（一般指在1秒钟之内）将一次硼产物加热至2320K（氧化硼的沸点）以上的能量密度；相应的，高能量密度激光器是指能将一次硼产物加热至2320K（氧化硼的沸点）以上的激光器。由于激光器产生的激光温度较高（2320K以上），需要为激光器配置冷却水系统，如图2所示。
本发明中样品在透明点火燃烧管道16中点火燃烧，如图4所示，圆管结构使气流均匀稳定，不易受外界干扰。且管道采用透明材料，便于设备观测。
如图1所示，装置连接后，激光器电源、流量控制信号、高速摄影仪信号、光纤光谱仪信号、红外热像仪信号均并联接入计算机，实现计算机集成控制。
实验时先将一次硼产物样品填装入样品支架12，后开启冷却水管路1，使冷却水充满整个管路。实验前应预先开启气瓶柜8中的气瓶，并在计算机14中的控制软件中设置好期望的气体种类和流量。待透明点火燃烧管11中的气流稳定后，通过计算机14中的程序控制开关接通电路，激光将从激光管发射端4射出，点燃样品支架11上的一次硼产物样品。
实验时，高速摄影仪17、光纤光谱仪18和红外热像仪19是由计算机14控制，与高能量密度激光器15同步触发的。点火燃烧过程中，高速摄影仪17、光纤光谱仪18和红外热像仪19能对样品进行实时监测，并将测量数据传输至计算机进行显示，实验人员能通过计算机实时观察到样品点火燃烧的状况。计算机14中内嵌数据记录程序，实验人员能利用该程序对高速摄影仪17、光纤光谱仪18和红外热像仪19观测得到的数据进行保存和后续分析。
当遇到紧急情况时，实验人员能够通过物理紧急20开关切断激光器3的电源。
Claims (2)
1.用高能量密度激光实现一次硼产物点火燃烧的装置，包括用于放置硼产物的样品支架；其特征在于，该装置由点火模块、气氛调节模块、燃烧诊断模块和数据记录模块组成，其中，
点火模块包括高能量密度激光器和透明点火燃烧管；高能量密度激光器有一个中空管状的激光管，其中空部位是充有惰性保护气体的激光通路，激光管管状结构的壁中设有冷却水管路；激光管由激光管支撑架固定于底座上，保护外壳连接至底座并将激光管罩于其内；激光管发射端位于激光管的一侧，且在保护外壳上相应位置设有通过激光的贯通孔；透明点火燃烧管架置于铁架台上，所述样品支架设于透明点火燃烧管中心位置，样品支架与激光管发射端相对设置，且在两者之间的管壁上设置用于通过激光的贯通孔；
所述气氛调节模块包括通过管路依次连接的气瓶柜、电子流量控制器和流量控制阀；流量控制阀通过管路与透明点火燃烧管的一端相接，透明点火燃烧管的另一端呈敞口状；
所述燃烧诊断模块包括高速摄影仪、光纤光谱仪、红外热像仪和物理紧急开关；所述数据记录模块包括计算机，计算机分别通过信号线连接至激光管、高速摄影仪、光纤光谱仪、红外热像仪、物理紧急开关和电子流量控制器；
所述激光管与透明点火燃烧管的中心线呈垂直相交，且在激光管与激光管发射端之间设有一个与激光管中心线呈45°夹角的反光镜；
所述高能量密度激光器是指能将一次硼产物加热至2320K以上的激光器，并通过计算机对其功率进行精确调节以实现线性变化；所述高能量密度是指能在1秒钟之内将一次硼产物加热至2320K以上的能量密度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光管的管状结构的壁中具有夹套结构，该夹套结构即冷却水管路。
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