一种基于电点火方式的ADN基空间发动机测试系统及其测试方法与流程

一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统及其测试方法
技术领域
1.本发明涉及空间发动机技术领域，具体涉及基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统及其测试方法。


背景技术：

2.过去几十年间，以肼为代表的液体推进剂占据了动力系统的主要地位，但在长期使用过程中也暴露了很多问题，如比冲较低，易燃易爆，对环境和生物有害，需要昂贵的发射设备和地面保障设施等。随着对含能化合物的深入研究，以二硝酰胺铵(adn)基液体推进剂为代表的新型推进剂逐渐受到关注，adn基液体推进剂作为一种安全无毒、无污染以及高比冲的绿色无毒液体推进剂，受到了世界航天大国的广泛关注。欧盟、美国以及日本对adn基空间发动机的开发进行了大量的研究。研究表明，由于adn基液体推进剂的高比冲、低毒性特点，adn基空间发动机能有效减小贮供系统重量，降低发动机成本。
3.目前已经进行测试和实现在轨验证的adn基发动机均采用推进剂在预热催化床中先进行催化分解进而开始燃烧产生推力的技术路线。催化分解技术路线的推力器存在一系列缺点：(1)高燃烧温度易导致催化剂失活，影响力adn基发动机的寿命；(2)催化床在发动机启动前需较长的预热时间，因此无法实现发动机快速启动。由于无法实现快速冷启动过程，因此无毒adn基发动机在航天器上的长寿命在轨运行和快速响应受到了限制，因此探索新型点火燃烧技术有助于突破无毒adn基发动机在航天姿轨控动力系统上进一步发展和应用。
4.电点火技术是一种新型的点火燃烧技术，不使用催化剂，有效避免催化剂失活问题，可以使绿色液体空间发动机向百牛级大推力方向发展；此外电点火技术不需要预热，可以实现发动机冷启动和快速响应，能够避免预热催化床带来的一系列问题。基于电点火技术设计的adn基空间发动机，具有绿色无毒、快速响应、冷启动、不需要催化剂、无需预热等特点，突破了传统催化点火式的adn基空间发动机的技术瓶颈，是未来航天推进领域的一个重要发展方向。
5.所以亟需一种基于电点火方式的adn基空间发动机的性能测试系统，在实验室中开展不同工况条件下空间发动机启动性能测试，为未来设计电点火方式的adn基空间液体姿轨控动力发动机提供数据支撑。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统及其测试方法，旨在利用实验室环境开展不同工况条件下发动机启动性能测试，找到影响发动机启动性能的各条件和参数，为未来设计电点火方式的液体姿轨控动力发动机提供数据支撑。
7.本发明是这样实现的，提供一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统，由
推进剂供给模块、点火模块、空间发动机及控制采集模块组成，其特征在于：所述推进剂供给系统模块为气瓶、减压阀、高压球阀、adn基推进剂储箱、流量计及电磁阀用管道依次串联连接组成，在adn基推进剂储箱上设置有压力表，用以显示高压气体压力，便于整定推进剂流量，电磁阀的出口用管道连接至空间发动机的注液口，由高压气体将adn基推进剂储箱内的adn基推进剂压入空间发动机内，液路的通断受电磁阀控制。
8.进一步地，所述点火模块包括直流电源、高温电弧电源、分解电极、电弧电极，其中分解电极由直流电源进行供电，电弧电极由高温电弧电源进行供电。
9.进一步地，所述空间发动机包括注液口、分解室和燃烧室，其中分解室对称设置有一对分解电极安装口，燃烧室对称设置有一对电弧电极安装口和一个压力传感器安装口，便于安装和更换分解电极和电弧电极，在燃烧室的侧面还对称设置两个玻璃视窗，便于观察燃烧室内燃烧火苗的情况，在燃烧室末端还接有一个拉瓦尔喷管，在空间发动机上还设置有一个长度调整调整环，用来调整发动机的长度。
10.进一步地，所述控制采集模块包括控制器、压力传感器、电荷放大器、示波器和笔记本电脑，其中控制器分别与流量计、电磁阀、分解电极、电弧电极、直流电源、高温电弧电源、示波器和笔记本电脑电性连接，一方面，控制器控制电磁阀的液路通断，控制分解电极、电弧电极的电路通断，另一方面，控制器接收流量计的流量信号、压力传感器压力信号和笔记本电脑的指令信号，再者，控制器也将发动机的各项运行数据反馈给笔记本电脑显示和存储，所述压力传感器的压力信号是通过电荷放大器放大后，送至示波器和控制器显示和处理。
11.优选地，所述分解电极的电极片设置成网孔状电极片，网孔具有多种不同直径。
12.优选地，所述直流电源为电压连续可调直流电源。
13.本发明还提供一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试方法，包括如下步骤：
14.步骤一：选择分解电极，将分解电极安装到空间发动机上；
15.步骤二：选定长度调整环个数，调整空间发动机的长度并组装好；
16.步骤三：对测试系统进行流量标定，然后连接好各部分模块；
17.步骤四：在adn基液体推进剂储箱中注入适量推进剂，用减压阀将气瓶输出压力根据标定情况调整到目标压力；
18.步骤五：设定直流电源的输出电压；
19.步骤六：通过笔记本软件触发控制器，控制电磁阀、电弧电极以及分解电极同时通电；
20.步骤七：推进剂被压入空间发动机的分解区，在接触分解电极后通电被加热蒸发分解，产生的混合气体迅速进入燃烧室，由电弧电极产生的高温电弧将其点燃，产生高温高压气体通过喷管喷出燃烧室；
21.步骤八：记录步骤五过程中设定的高压气体压力、直流电源电压，监测并记录推进剂流量、点火延时时间、燃烧室压力值变化，观察并记录燃烧室燃烧的火苗情况；
22.步骤九：总结adn基空间发动机启动性能跟推进剂流量、分解电极形状、分解电压和发动机长度因素的影响。
23.优选地，所述步骤一的分解电极分别选择网孔直径为0.3mm、0.5mm、0.7m和1mm。
24.优选地，所述步骤三的流量分别标定为2.3g/s、2.4g/s、2.5g/s和2.6g/。
25.优选地，所述步骤五的电压分别设定为70v、80v、90v和100v。
26.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
27.(1)本测试系统针对基于电点火式adn基空间发动机进行测试，该类型空间发动机具有国际先进性，无需使用催化剂，避免了催化点火方式带来的弊端和限制，具有冷启动、响应快、长寿命、高比冲、点火可靠性高、结构简单及成本低等显著优点，为航天器动力系统提供一种新型高性能绿色无毒液体姿轨控动力发动机奠定了重要基础。
28.(2)本测试系统布局灵活合理，设有压力传感器、流量计、玻璃视窗，方便采集和观看试验数据和过程；设置长度调整环、分解电极接口、调压阀和可调压直流电源，便于设置工况参数、发动机长度和分解电极状态。使试验过程更充分，数据收集更精确，点火现象观察更直观，为未来设计电点火方式的adn基空间液体姿轨控动力发动机提供重要数据支撑。
附图说明
29.图1是本发明测试系统布局图；
30.图2是本发明测试方法流程图；
31.1、气瓶；2、减压阀；3、高压球阀；4、adn基推进剂储箱；5、压力表；6、流量计；7、电磁阀；8、控制器；9、空间发动机；10、直流电源；11、高温电弧电源；12、电荷放大器；13、示波器；14、笔记本电脑；91、注液口；93、分解室；94、分解电极；95、长度调整环；96、压力传感器；97、电弧电极；98、玻璃视窗；99、燃烧室。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
34.参见图1，本发明提供一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统，由推进剂供给模块、点火模块、空间发动机9及控制采集模块组成，所述推进剂供给系统模块为气瓶1、减压阀2、高压球阀3、adn基推进剂储箱4、流量计6及电磁阀7用管道依次串联连接组成，在adn基推进剂储箱4上设置有压力表5，用以显示高压气体压力，便于整定推进剂流量，电磁阀7的出口用管道连接至空间发动机9注液口91，由高压气体将adn基推进剂储箱内的adn基推进剂压入空间发动机内，液路的通断受电磁阀7控制。所述点火模块包括直流电源10、高温电弧电源11、分解电极94、电弧电极97，其中分解电极94由直流电源10进行供电，电弧电极97由高温电弧电源11进行供电；所述空间发动机9包括注液口91、分解室93和燃烧室99，其中分解室93对称设置有一对分解电极安装口，燃烧室99对称设置有一对电弧电极安装口和一个压力传感器安装口，便于安装和更换分解电极94和电弧电极97，在燃烧室99的侧面还对称设置两个玻璃视窗98，便于观察燃烧室99内燃烧火苗的情况，燃烧室99末端还接有一个拉瓦尔喷管，在空间发动机9上还设置有一个长度调整调整环95，用来调整发动机的长度。所述控制采集模块包括控制器8、压力传感器96、电荷放大器12、示波器13和笔记本电脑14，其中控制器8分别与流量计6、电磁阀7、分解电极94、电弧电极97、直流电源10、高温电弧电源11、示波器13和笔记本电脑14电性连接，控制器8控制电磁阀7的液路通断，控制分
解电极94、电弧电极97的电路通断，接收流量计6的流量信号、压力传感器96压力信号和笔记本电脑14的指令信号，同时，控制器8也将发动机的各项运行数据反馈给笔记本电脑14显示和存储，其中压力传感器96的压力信号是通过电荷放大器12放大后，送至示波器13和控制器8显示和处理。
35.在本实施例中，所述分解电极94的电极片设置成网孔状电极片，网孔具有多种不同直径，所述直流电源10为电压连续可调直流电源。
36.参见图2，本发明还提供一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试方法，具体实施步骤为：
37.步骤一：选择分解电极，将分解电极安装到空间发动机上；
38.步骤二：选定长度调整环个数，调整空间发动机的长度并组装好；
39.步骤三：对测试系统进行流量标定，然后连接好各部分模块；
40.步骤四：在adn基液体推进剂储箱中注入适量推进剂，用减压阀将气瓶输出压力根据标定情况调整到目标压力；
41.步骤五：设定直流电源的输出电压；
42.步骤六：通过笔记本软件触发控制器，控制电磁阀、电弧电极以及分解电极同时通电；
43.步骤七：推进剂被压入空间发动机的分解区，在接触分解电极后通电被加热蒸发分解，产生的混合气体迅速进入燃烧室，由电弧电极产生的高温电弧将其点燃，产生高温高压气体通过喷管喷出燃烧室；
44.步骤八：记录步骤五过程中设定的高压气体压力、直流电源电压，监测并记录推进剂流量、点火延时时间、燃烧室压力值变化，观察并记录燃烧室燃烧的火苗情况；
45.步骤九：总结空间发动机启动性能跟推进剂流量、分解电极形状、分解电压和发动机长度因素的影响。
46.本实施例中，所述步骤一的分解电极分别选择网孔直径为0.3mm、0.5mm、0.7m和1mm。
47.本实施例中，所述步骤三的流量分别标定为2.3g/s、2.4g/s、2.5g/s和2.6g/。
48.本实施例中，所述步骤五的电压分别设定为70v、80v、90v和100v。

技术特征：
1.一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统，由推进剂供给模块、点火模块、空间发动机(9)及控制采集模块组成，其特征在于：所述推进剂供给系统模块为气瓶(1)、减压阀(2)、高压球阀(3)、adn基推进剂储箱(4)、流量计(6)及电磁阀(7)用管道依次串联连接，在adn基推进剂储箱(4)上设置有压力表(5)，电磁阀(7)的出口用管道连接至空间发动机(9)的注液口(91)；所述点火模块包括直流电源(10)、高温电弧电源(11)、分解电极(94)、电弧电极(97)，其中分解电极(94)由直流电源(10)进行供电，电弧电极(97)由高温电弧电源(11)进行供电；所述空间发动机(9)包括注液口(91)、分解室(93)和燃烧室99，其中分解室(93)对称设置有一对分解电极安装口，燃烧室(99)对称设置有一对电弧电极安装口和一个压力传感器安装口；所述控制采集模块包括控制器(8)、压力传感器(96)、电荷放大器(12)、示波器(13)和笔记本电脑(14)，其中控制器(8)分别与流量计(6)、电磁阀(7)、分解电极(94)、电弧电极(97)、直流电源(10)、高温电弧电源(11)、示波器(13)和笔记本电脑(14)电性连接，一方面，控制器(8)控制电磁阀(7)的液路通断，控制分解电极(94)、电弧电极(97)的电路通断，另一方面，控制器(8)接收流量计(6)的流量信号、压力传感器(96)压力信号和笔记本电脑(14)的指令信号，再者，控制器(8)也将发动机的各项运行数据反馈给笔记本电脑(14)显示和存储，所述压力传感器(96)的压力信号是通过电荷放大器(12)放大后，送至示波器(13)和控制器(8)显示和处理。2.根据权利要求1所述的一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统，其特征在于：所述空间发动机(9)包括一个长度调整环(95)，用来调整发动机的长度，所述燃烧室(99)的侧面还对称设置两个玻璃视窗(98)。3.根据权利要求1所述的一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统，其特征在于：所述分解电极(94)的电极片设置成网孔状电极片，网孔具有多种不同直径。4.根据权利要求1所述的一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统，其特征在于：所述直流电源(10)为电压连续可调直流电源。5.根据权利要求1所述的一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试系统，其特征在于：所述燃烧室(99)末端还接有一个拉瓦尔喷管。6.一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：选择分解电极，将分解电极安装到空间发动机上；步骤二：选定长度调整环个数，调整空间发动机的长度并组装好；步骤三：对测试系统进行流量标定，然后连接好各部分模块；步骤四：在adn基液体推进剂储箱中注入适量推进剂，用减压阀将气瓶输出压力根据标定情况调整到目标压力；步骤五：设定直流电源的输出电压；步骤六：通过笔记本软件触发控制器，控制电磁、电弧电极以及分解电极同时通电；步骤七：推进剂被压入空间发动机的分解区，在接触分解电极后通电被加热蒸发分解，产生的混合气体迅速进入燃烧室，由电弧电极产生的高温电弧将其点燃，产生高温高压气体通过喷管喷出燃烧室；
步骤八：记录步骤五过程中设定的高压气体压力、直流电源电压，监测并记录推进剂流量、点火延时时间、燃烧室压力值变化，观察并记录燃烧室燃烧的火苗情况；步骤九：总结adn基空间发动机启动性能跟推进剂流量、分解电极形状、分解电压和发动机长度因素的影响。7.根据权利要求6所述的一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试方法，其特征在于：所述步骤一的分解电极分别选择网孔直径为0.3mm、0.5mm、0.7m和1mm。8.根据权利要求6所述的一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试方法，其特征在于：所述步骤三的流量分别标定为2.3g/s、2.4g/s、2.5g/s和2.6g/。9.根据权利要求6所述的一种基于电点火方式的adn基空间发动机测试方法，其特征在于：所述步骤五的输出电压分别设定为70v、80v、90v和100v。

技术总结
本发明公开了一种基于电点火方式的ADN基空间发动机测试系统及其测试方法，涉及空间发动机技术领域，其中测试系统包括推进剂供给模块、点火模块、空间发动机及控制采集模块组成，能够控制推进注入流量和分解电源电压，能够采集发动机燃烧室的压力和观察燃烧室火苗情况，能够更换不同形状的分解电极以及调整发动机的长度，设定和采集的运行数据并能够在笔记本电脑上显示或存储。本发明针对基于电点火式ADN基空间发动机进行测试，具有国际先进性，测试系统布局合理，能够设置工况参数和发动机状态，使试验过程更充分，数据收集更精确，点火现象观察更直观，为未来设计电点火方式的液体姿轨控动力发动机提供数据支撑。轨控动力发动机提供数据支撑。轨控动力发动机提供数据支撑。


技术研发人员：周小凯
受保护的技术使用者：周小凯
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/6/28