用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及點火燃燒試驗裝置，旨在提供一種用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置。該裝置由點火模塊、氣氛調(diào)節(jié)模塊、燃燒診斷模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊組成，其中，點火模塊包括高能量密度激光器和透明點火燃燒管，激光管由激光管支撐架固定于底座上，透明點火燃燒管架置于鐵架臺上，樣品支架設(shè)于透明點火燃燒管中心位置。本發(fā)明可對一次硼產(chǎn)物樣品進(jìn)行迅速加熱，使樣品在幾個毫秒內(nèi)迅速升溫到氧化硼沸點以上，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)電熱點火方式，能實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物的快速點火和充分燃燒。激光器電功率低，接入220V家庭用電即可使用，通用性好。激光加熱范圍集中，能量利用效率高。
【專利說明】用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種點火燃燒試驗裝置，特別涉及一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]硼擁有極高的質(zhì)量熱值和容積熱值，由其組成的推進(jìn)劑比沖燃燒產(chǎn)物分散性好，還可顯著減小噴管喉部二相流損失，被認(rèn)為是推進(jìn)劑中的一種優(yōu)質(zhì)的填料。含硼富燃料推進(jìn)劑在一次燒過程中，由于環(huán)境貧氧，溫度較低，不能充分點火燃燒，含有大量硼顆粒的一次燃燒產(chǎn)物從氣發(fā)生室進(jìn)入補(bǔ)燃室中，與空氣進(jìn)行摻混完成燃燒，并釋放出大量熱，含硼富燃料推進(jìn)劑優(yōu)越能量性主要是在補(bǔ)燃室中進(jìn)行二次燃燒充分發(fā)揮出來的。所以研究一次硼產(chǎn)物的點火燃燒性，保證其在補(bǔ)燃室中順利點火燃燒，實現(xiàn)高效燃燒和高能量釋放，對含硼富燃推進(jìn)劑的整體燃燒非常重要。
[0003]由于一次硼產(chǎn)物中包含的大量硼顆粒表面包裹著一層氧化硼外殼，其沸點高達(dá)2320K，在實驗室中難以迅速達(dá)到如此高溫實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物的點火，嚴(yán)重制約了一次硼產(chǎn)物點火燃燒特性的實驗研究。因此如何實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物快速、充分的點火和燃燒顯得尤為重要?，F(xiàn)有一次硼產(chǎn)物點火裝置難以實現(xiàn)這一目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置。
[0005]為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0006]提供一種用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置，包括用于放置硼產(chǎn)物的樣品支架；該裝置由點火模塊、氣氛調(diào)節(jié)模塊、燃燒診斷模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊組成，其中，點火模塊包括高能量密度激光器和透明點火燃燒管；高能量密度激光器有一個中空管狀的激光管，其中空部位是充有惰性保護(hù)氣體的激光通路，激光管管狀結(jié)構(gòu)的壁中設(shè)有冷卻水管路；激光管由激光管支撐架固定于底座上，保護(hù)外殼連接至底座并將激光管罩于其內(nèi)；激光管發(fā)射端位于激光管的一側(cè)，且在保護(hù)外殼上相應(yīng)位置設(shè)有通過激光的貫通孔；透明點火燃燒管架置于鐵架臺上，所述樣品支架設(shè)于透明點火燃燒管中心位置，樣品支架與激光管發(fā)射端相對設(shè)置，且在兩者之間的管壁上設(shè)置用于通過激光的貫通孔；
[0007]所述氣氛調(diào)節(jié)模塊包括通過管路依次連接的氣瓶柜、電子流量控制器和流量控制閥；流量控制閥通過管路與透明點火燃燒管的一端相接，透明點火燃燒管的另一端呈敞口狀；
[0008]所述燃燒診斷模塊包括高速攝影儀、光纖光譜儀、紅外熱像儀和物理緊急開關(guān)；所述數(shù)據(jù)記錄模塊包括計算機(jī)，計算機(jī)分別通過信號線連接至激光管、高速攝影儀、光纖光譜儀、紅外熱像儀、物理緊急開關(guān)和電子流量控制器。
[0009]本發(fā)明中，所述激光管與透明點火燃燒管的中心線呈垂直相交，且在激光管與激光管發(fā)射端之間設(shè)有一個與激光管中心線呈45°夾角的反光鏡。[0010]本發(fā)明中，所述激光管的管狀結(jié)構(gòu)的壁中具有夾套結(jié)構(gòu)，該夾套結(jié)構(gòu)即冷卻水管路。冷卻水系統(tǒng)以控制激光管的溫度。
[0011]保護(hù)外殼是耐高溫的黑色外殼，用于防止由于激光器故障導(dǎo)致的激光偏移對裝置及實驗人員造成的損害。氣體流量控制閥，可進(jìn)行氣體流量控制和氣體切換。激光器的電路、高速攝影儀、紅外熱像儀、光線光譜儀可通過計算機(jī)或物理開關(guān)同步觸發(fā)或停止。激光器功率可通過計算機(jī)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，并能在實驗過程中實現(xiàn)激光器功率的線性變化。
[0012]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0013]1.可對一次硼產(chǎn)物樣品進(jìn)行迅速加熱，使樣品在幾個毫秒內(nèi)迅速升溫到2320K(氧化硼沸點)以上，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)電熱點火方式，能實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物的快速點火和充分燃燒。
[0014]2.激光器電功率低(一般僅幾百瓦)，接入220V家庭用電即可使用，通用性好。激光加熱范圍集中，能量利用效率高，實驗所需一次硼產(chǎn)物樣品量少。
[0015]3.可通過計算機(jī)控制精確調(diào)節(jié)激光器功率，并能在實驗過程中實現(xiàn)激光器功率的線性變化，為實驗人員提供更豐富的點火方案。
[0016]4.一次硼產(chǎn)物樣品在管道中點火燃燒，氣流穩(wěn)定，不易受外界因素干擾，且管道采用透明材料，可實現(xiàn)高速攝影儀、紅外熱像儀、光線光譜儀的無障礙觀測。
[0017]5.可通過計算機(jī)控制，對一次硼產(chǎn)物樣品燃燒時的環(huán)境氣氛進(jìn)行便捷的種類切換和流量控制。
[0018]6.可對一次硼產(chǎn)物樣品點火燃燒的反應(yīng)進(jìn)程、表面溫度、發(fā)射光譜進(jìn)行實時采集和測量記錄，為一次硼產(chǎn)物點火燃燒特性的分析提供了多角度的實驗依據(jù)。
[0019]7.實現(xiàn)了點火與觀測組件的同步觸發(fā)，保證觀測數(shù)據(jù)采集的完整性和有效性。
[0020]8.實現(xiàn)了激光器功率設(shè)置、實驗氣氛設(shè)置、點火及觀測組件啟停、實驗數(shù)據(jù)采集和記錄的計算機(jī)集成控制，為實驗操作提供了極大便利。
[0021]9.本裝置為激光器配置保護(hù)外殼，能防止設(shè)備故障導(dǎo)致的激光偏移對實驗人員和裝置可能造成的傷害。此外，還設(shè)置有物理緊急開關(guān)，當(dāng)發(fā)生危險時可對裝置電源進(jìn)行迅速切斷。裝置整體具有較高的安全性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置圖。
[0023]圖2是高能量密度激光器組件結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖3是圖1中產(chǎn)品的俯視圖；
[0025]圖4是透明點火燃燒管道組件結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中各附圖標(biāo)記為:I冷卻水管路；2激光通路；3激光管；4激光管支撐架；5激光發(fā)射端；6底座；7保護(hù)外殼；8氣瓶柜；9電子流量控制器；10流量控制閥；11透明點火燃燒管；12樣品支架；13鐵架臺；14計算機(jī)；15高能量密度激光器；16透明點火燃燒管道；17高速攝影儀；18光纖光譜儀；19紅外熱像儀；20物理緊急開關(guān)。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明利用高能量密度激光器對透明點火燃燒管道中的一次硼產(chǎn)物樣品進(jìn)行加熱，使樣品迅速升溫，實現(xiàn)快速點火和充分燃燒，通過多種儀器設(shè)備對樣品的點火燃燒過程進(jìn)行觀察、測量和分析，并對裝置中各重要組件實行計算機(jī)集成控制。
[0028]下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。
[0029]如圖1所示，用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置由點火模塊、氣氛調(diào)節(jié)模塊、燃燒診斷模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊組成，其中，點火模塊包括高能量密度激光器15和透明點火燃燒管11 ;高能量密度激光器15有一個中空管狀的激光管3，其中空部位是激光通路，通路中充有惰性保護(hù)氣體。2，激光管3管狀結(jié)構(gòu)的壁中具有夾套結(jié)構(gòu)，該夾套結(jié)構(gòu)即冷卻水管路I。激光管3由激光管支撐架4固定于底座6上，保護(hù)外殼7連接至底座6并將激光管3罩于其內(nèi)；激光管發(fā)射端5位于激光管3的一側(cè)，且在保護(hù)外殼7上相應(yīng)位置設(shè)有通過激光的貫通孔；透明點火燃燒管11架置于鐵架臺13上，樣品支架12設(shè)于透明點火燃燒管11中，樣品支架12與激光管發(fā)射端5相對設(shè)置，且在兩者之間的管壁上設(shè)置用于通過激光的貫通孔；激光管3與透明點火燃燒管11的中心線呈垂直相交，且在激光管3與激光管發(fā)射端5之間設(shè)有一個與激光管3中心線呈45°夾角的反光鏡。
[0030]所述氣氛調(diào)節(jié)模塊包括通過管路依次連接的氣瓶柜8、電子流量控制器9和流量控制閥10 ;流量控制閥10通過管路與透明點火燃燒管11的一端相接，透明點火燃燒管11的另一端呈敞口狀；
[0031]所述燃燒診斷模塊包括高速攝影儀17、光纖光譜儀18、紅外熱像儀19和物理緊急開關(guān)20 ;所述數(shù)據(jù)記錄模塊包括計算機(jī)14，計算機(jī)14分別通過信號線連接至激光管3、高速攝影儀17、光纖光譜儀18、紅外熱像儀19、物理緊急開關(guān)20和電子流量控制器9。
[0032]本發(fā)明采用高能量密度激光進(jìn)行點火，激光器功率一般僅幾百瓦，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)點火方式，接入220V家庭用電中即可使用。本發(fā)明中，高能量密度是指足以在短時間內(nèi)(一般指在I秒鐘之內(nèi))將一次硼產(chǎn)物加熱至2320K (氧化硼的沸點)以上的能量密度；相應(yīng)的，高能量密度激光器是指能將一次硼產(chǎn)物加熱至2320K (氧化硼的沸點)以上的激光器。由于激光器產(chǎn)生的激光溫度較高(2320K以上)，需要為激光器配置冷卻水系統(tǒng)，如圖2所示。
[0033]本發(fā)明中樣品在透明點火燃燒管道16中點火燃燒，如圖4所示，圓管結(jié)構(gòu)使氣流均勻穩(wěn)定，不易受外界干擾。且管道采用透明材料，便于設(shè)備觀測。
[0034]如圖1所示，裝置連接后，激光器電源、流量控制信號、高速攝影儀信號、光纖光譜儀信號、紅外熱像儀信號均并聯(lián)接入計算機(jī)，實現(xiàn)計算機(jī)集成控制。
[0035]實驗時先將一次硼產(chǎn)物樣品填裝入樣品支架12，后開啟冷卻水管路1，使冷卻水充滿整個管路。實驗前應(yīng)預(yù)先開啟氣瓶柜8中的氣瓶，并在計算機(jī)14中的控制軟件中設(shè)置好期望的氣體種類和流量。待透明點火燃燒管11中的氣流穩(wěn)定后，通過計算機(jī)14中的程序控制開關(guān)接通電路，激光將從激光管發(fā)射端4射出，點燃樣品支架11上的一次硼產(chǎn)物樣品O
[0036]實驗時，高速攝影儀17、光纖光譜儀18和紅外熱像儀19是由計算機(jī)14控制，與高能量密度激光器15同步觸發(fā)的。點火燃燒過程中，高速攝影儀17、光纖光譜儀18和紅外熱像儀19能對樣品進(jìn)行實時監(jiān)測，并將測量數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)進(jìn)行顯示，實驗人員能通過計算機(jī)實時觀察到樣品點火燃燒的狀況。計算機(jī)14中內(nèi)嵌數(shù)據(jù)記錄程序，實驗人員能利用該程序?qū)Ω咚贁z影儀17、光纖光譜儀18和紅外熱像儀19觀測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和后續(xù)分析。
[0037]當(dāng)遇到緊急情況時，實驗人員能夠通過物理緊急20開關(guān)切斷激光器3的電源。
【權(quán)利要求】
1.用高能量密度激光實現(xiàn)一次硼產(chǎn)物點火燃燒的裝置，包括用于放置硼產(chǎn)物的樣品支架；其特征在于，該裝置由點火模塊、氣氛調(diào)節(jié)模塊、燃燒診斷模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊組成，其中， 點火模塊包括高能量密度激光器和透明點火燃燒管；高能量密度激光器有一個中空管狀的激光管，其中空部位是充有惰性保護(hù)氣體的激光通路，激光管管狀結(jié)構(gòu)的壁中設(shè)有冷卻水管路；激光管由激光管支撐架固定于底座上，保護(hù)外殼連接至底座并將激光管罩于其內(nèi)；激光管發(fā)射端位于激光管的一側(cè)，且在保護(hù)外殼上相應(yīng)位置設(shè)有通過激光的貫通孔；透明點火燃燒管架置于鐵架臺上，所述樣品支架設(shè)于透明點火燃燒管中心位置，樣品支架與激光管發(fā)射端相對設(shè)置，且在兩者之間的管壁上設(shè)置用于通過激光的貫通孔； 所述氣氛調(diào)節(jié)模塊包括通過管路依次連接的氣瓶柜、電子流量控制器和流量控制閥；流量控制閥通過管路與透明點火燃燒管的一端相接，透明點火燃燒管的另一端呈敞口狀； 所述燃燒診斷模塊包括高速攝影儀、光纖光譜儀、紅外熱像儀和物理緊急開關(guān)；所述數(shù)據(jù)記錄模塊包括計算機(jī)，計算機(jī)分別通過信號線連接至激光管、高速攝影儀、光纖光譜儀、紅外熱像儀、物理緊急開關(guān)和電子流量控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光管與透明點火燃燒管的中心線呈垂直相交，且在激光管與激光管發(fā)射端之間設(shè)有一個與激光管中心線呈45°夾角的反光鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光管的管狀結(jié)構(gòu)的壁中具有夾套結(jié)構(gòu)，該夾套結(jié)構(gòu)即冷卻水管路。
【文檔編號】G01N31/12GK103513002SQ201310419854
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月15日
【發(fā)明者】汪洋, 周俊虎, 劉建忠, 王智化, 張彥威, 程軍, 楊衛(wèi)娟, 黃鎮(zhèn)宇 申請人:浙江大學(xué)