一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构

1.本发明涉及一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，属于微波点火技术领域。


背景技术：

2.利用微波能量实现放电并击穿介质完成点火是一种新型点火技术，在航空航天发动机点火、火炮点火和辅助燃烧领域的应用前景十分广阔。微波击穿点火技术利用较小功率的定频微波能量形成强电磁场，以此击穿介质实现点火。
3.传统的机械点火方式需要引燃和传火，导致点火时延较长，微波击穿点火技术利用微波辐射直接击穿空气点火，能有效减少时延；化学等离子体点火方式需要电极，点火稳定性、机动性和可控性不高，微波击穿点火技术能克服这些问题，有利于点火的无人化和远程控制；激光点火技术由于能量转换效率较低，点火均匀性不好，微波击穿点火技术利用微波点火，微波的穿透性较强，在点火时能量分布均匀，点火的一致性好。同类型结构中，中国专利201910857702.4利用圆台作为导体结构，终端利用开口波导实现匹配，金属导体安装在金属波导内壁，在1kw输入功率下，产生1.5
×
106v/m的场强，场强较小不足以击穿空气。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，该微波点火机构由两组十字形尖锥构成，结构简单、质量轻、点火性能稳定、可调节性强、应用场景广阔，两组十字形尖锥结构能有效形成强电场，且两组十字形尖锥的位置和相对距离都可调节，具有点火一致性好、点火稳定性高、点火实验短等显著优点。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，该微波点火机构包括大尖锥a、大尖锥a’、大尖锥b、大尖锥b’、小尖锥a、小尖锥a’、小尖锥b、小尖锥b’、四个支撑片和支撑架；
7.其中，大尖锥a、大尖锥a’、大尖锥b、大尖锥b’结构相同，其中大尖锥a、和大尖锥b的厚度相同均为m，m＝1-3mm，优选3mm，大尖锥a’和大尖锥b’的厚度相同均为n，n＝1-3mm，优选2mm；
8.小尖锥a、小尖锥a’、小尖锥b、小尖锥b’结构相同，尺寸也相同，厚度均为k，k＝1-3mm，优选2mm；
9.所述大尖锥a的主体结构为一梯形金属片，梯形金属片的中心轴向上带有一长方形豁口，梯形金属片的底端两侧各带有一缺口，该缺口处安装有一小圆柱，小圆柱的下表面的圆心与梯形金属片的底端端点重合，梯形金属片的中心轴与小圆柱的中心轴平行；
10.大尖锥a沿中心轴插入到大尖锥a’的长方形豁口中，同时大尖锥a’沿中心轴插入到大尖锥a的长方形豁口中，即大尖锥a和大尖锥a’为十字交叉安装，安装完成后命名为大十字形尖锥a；
11.大尖锥b沿中心轴插入到大尖锥b’的长方形豁口中，同时大尖锥b’沿中心轴插入到大尖锥b的长方形豁口中，即大尖锥b和大尖锥b’为十字交叉安装，安装完成后命名为大十字形尖锥b；
12.所述大十字形尖锥a和大十字形尖锥b形成一组十字形尖锥，命名该组十字形尖锥为大组；
13.所述小尖锥a的主体结构为一梯形金属片，梯形金属片的中心轴向上带有一长方形豁口；
14.小尖锥a沿中心轴插入到小尖锥a’的长方形豁口中，同时小尖锥a’沿中心轴插入到小尖锥a的长方形豁口中，即小尖锥a和小尖锥a’为十字交叉安装，安装完成后命名为小十字形尖锥a；
15.小尖锥b沿中心轴插入到小尖锥b’的长方形豁口中，同时小尖锥b’沿中心轴插入到小尖锥b的长方形豁口中，即小尖锥b和小尖锥b’为十字交叉安装，安装完成后命名为小十字形尖锥b；
16.小十字形尖锥a和小十字形尖锥b形成一组十字形尖锥，命名该组十字形尖锥为小组；
17.所述支撑架为一长方形盒子，长方形盒子的顶端表面上带有两个长方形豁口，支撑片的尺寸大于该长方形豁口；与长方形盒子顶端的两个长方形豁口相对应的长方形盒子的底面上有两个滑轨；
18.其中有三个支撑片通过长方形盒子顶端的一个长方形豁口将大十字形尖锥a悬挂在长方形盒子内，即三个支撑片与大十字形尖锥a的顶面通过螺钉固定连接，此时，三个支撑片位于长方形盒子外面，大十字形尖锥a位于长方形盒子内；
19.另外一个支撑片通过长方形盒子顶端的另一个长方形豁口将小十字形尖锥a悬挂在长方形盒子内，即支撑片与小十字形尖锥a的顶面通过螺钉固定连接，此时，支撑片位于长方形盒子外面，小十字形尖锥a位于长方形盒子内；
20.大十字形尖锥b安装在长方形盒子内的其中一个滑轨上；
21.小十字形尖锥b安装在长方形盒子内的另一个滑轨上；
22.大十字形尖锥a的中心轴与大十字形尖锥b的中心轴重合；
23.大十字形尖锥a的小端与大十字形尖锥b的小端相对，且距离d1为1-5mm，优选3mm；
24.小十字形尖锥a的小端与小十字形尖锥b的小端相对，且距离d2为1-5mm，优选3mm；
25.大十字形尖锥a和大十字形尖锥b的高度相同，用h1表示，h1＝22-24mm，优选23mm；大十字形尖锥a、大十字形尖锥b的上的圆柱高度都相同，用h3表示，h3＝6-8mm，优选7mm，圆柱半径也都有相同，用r1表示，r1＝4-6mm，优选5mm；
26.小十字形尖锥a和小十字形尖锥b的高度相同，用h2表示，h2＝22-24mm，优选23mm；
27.两对尖锥即大组和小组轴线间的距离用d表示，d＝52-56mm，优选54mm；大尖锥a和大尖锥a’为十字交叉安装，交叉角用α表示，α＝60
°‑
120
°
，优选90
°
，大尖锥b和大尖锥b’为十字交叉安装，交叉角用β表示，β＝α；小尖锥a和小尖锥a’为十字交叉安装，交叉角用θ表示，θ＝60
°‑
120
°
，优选90
°
，小尖锥b和小尖锥b’为十字交叉安装，交叉角用δ表示，δ＝θ；支撑架高度b＝54.61mm，长度l＝200mm，宽度a＝109.22mm，支撑架壁厚dd＝2mm。
28.大十字形尖锥a在长方形盒子顶端上能够沿着长方形豁口滑动或旋转，优点是工
作频率不同时，调节大十字形尖锥a的位置和角度，使小尖锥尖端场强达到空气击穿阈值；
29.小十字形尖锥a在长方形盒子顶端上能够沿着长方形豁口滑动或旋转，优点是工作频率不同时，实现小十字形尖锥位置和角度微调，使小十字形尖锥场强能击穿空气时，有更小的输入功率，节约能源；
30.大十字形尖锥b能够在长方形盒子内的滑轨上滑动，优点是在大十字形尖锥a的位置和角度改变后，保证大十字形尖锥b与大十字形尖锥a中心轴始终对齐；
31.小十字形尖锥b能够在长方形盒子内的滑轨上滑动，优点是在小十字形尖锥a的位置和角度改变后，保证小十字形尖锥b与小十字形尖锥a中心轴始终对齐；
32.工作过程或是应用，将大十字形尖锥a、大十字形尖锥b、小十字形尖锥a和小十字形尖锥b均安装在支撑架上，将支撑架置于波导腔内，使支撑架与波导内壁贴合，微波进入点火腔体后，在波导金属内壁和两对金属尖锥之间多次反射叠加，在小十字形尖锥a、b的小尖端相对位置的正中间形成强电场，这个电场的强度可以直接击穿空气，产生火花，实现点火。
33.有益效果
34.(1)本发明的微波点火机构中两对尖锥之间的相对距离可借助支撑架调节；
35.(2)本发明的微波点火机构中每对尖锥尖端之间的距离可借助支撑架实现微调；
36.(3)本发明的微波点火机构中两对尖锥都可以根据具体应用场景绕各自轴线旋转一定角度；
37.(4)本发明结构简单，可以在输入较低的微波功率时，在小尖锥尖端形成高场强，实现微波点火，该结构可适用于不同频段和不同类型的点火腔体；
38.(5)相比于传统点火机构，本发明所提出的点火机构对工作环境的限制少，不需要在抽真空或者加压环境下工作，在自然的大气环境中就可以完成点火；
39.(6)设置可调节支撑架，使两组尖锥之间的相对距离、每组尖锥尖端之间的距离都可调，还能增强可调节性，使该点火机构可以适用于不同频段和腔体；
40.(7)本发明中的两组金属尖锥代替了传统点火机构中的火花塞，不需要再接电源，能有效缩短点火时间，增强点火的稳定性和安全性，本发明中的两组金属尖锥采用金属片交叉的结构，能减少金属用量，减轻机构整体的质量；
41.(8)本发明机构在腔体内工作时，调整终端短路面或开路面的位置，可以使腔体在谐振频率点形成纯驻波，通过调整两组尖锥的位置和相对距离，可以对谐振频率实现微调，使小尖锥尖端场强最大，本发明的结构采用金属片状结构，可以减轻机构的重量；终端利用开口波导和短路波导都能实现匹配，应用场景更广阔；有可调节支撑架，使点火机构可用于不同频率点火；导体结构边缘变化更剧烈，对电场的增强作用更明显，能在1kw的输入功率下，达到4
×
106v/m的电场强度，更加节约能源。
附图说明
42.图1为本发明的微波点火机构的整体结构示意图；
43.图2为本发明的微波点火机构中两对尖锥结构示意图；
44.图3为本发明的微波点火机构中支撑架结构示意图；
45.图4为两对尖锥之间的相对距离d对一对小尖锥尖端最大场强影响的仿真曲线；
46.图5大尖锥高度h1对一对小尖锥尖端最大场强影响的仿真曲线；
47.图6小尖锥高度h2对一对小尖锥尖端最大场强影响的仿真曲线；
48.图7为本发明的微波点火机构内部场强分布示意图。
具体实施方式
49.下面结合附图并举实施例对本发明作进一步描述，以下附图和实施例仅用于进一步解释本发明，不用来限制本发明的范围。
50.利用图1所示的微波点火机构完成微波点火的原理为：微波源输出特定频率和功率的微波脉冲，通过微波传输系统将微波能量馈入点火腔，本发明中的点火机构置于微波点火腔中。根据电磁场理论，电场中导体越尖锐的部位，电荷密度越大，越容易出现放电现象，在周围形成强电场。因此，点火机构的小尖锥尖端能形成一个强电场，在强电场作用下，空气被击穿，产生火花，实现微波点火；
51.如图1所示为点火机构图，本发明的点火机构主要包括大十字形尖锥a、大十字形尖锥b、小十字形尖锥a、小十字形尖锥b和支撑架。将大十字形尖锥a、大十字形尖锥b、小十字形尖锥a和小十字形尖锥b均安装在支撑架上，将支撑架置于波导腔内，使支撑架与波导内壁贴合，微波进入点火腔体后，在波导金属内壁和两对金属尖锥之间多次反射叠加，在小十字形尖锥a、b的小尖端相对位置的正中间形成强电场，这个电场的强度可以直接击穿空气，产生火花，实现点火。
52.2.如图2所示为点火机构尖锥结构图，大十字形尖锥a和大十字形尖锥b置于靠近微波来波方向的位置，对微波场强进行第一次增强，小十字形尖锥a和小十字形尖锥b置于远离微波来波方向的位置，使场强进一步增强，在小十字形尖锥a、b的小尖端相对位置的正中间形成强电场，击穿空气，实现点火。
53.3.如图3所示为支撑架结构图，支撑架结构可以根据点火腔体的形状进行适当调整，上下底面开槽用于固定两对尖锥。调节两组尖锥的位置和相对距离，可以实现对谐振频率的微调，使尖锥在驻波的波腹位置，便于小尖锥尖端获得更强的电场。
54.实施例
55.如图1所示为点火机构的结构图，该机构包括两组金属尖锥和一套支撑架，支架作用是固定两对尖锥、调节尖锥在腔体中的位置，整体置于微波点火腔中。微波进入点火腔体后，在波导金属内壁和两对金属尖锥之间多次反射叠加，在小十字形尖锥a、b的小尖端相对位置的正中间形成强电场，这个电场的强度可以直接击穿空气，产生火花，实现点火。
56.如图2为腔体内两对尖锥的结构，其中大十字形尖锥a和大十字形尖锥b尺寸完全相同，小十字形尖锥a和小十字形尖锥b尺寸结构完全相同。大十字形尖锥a和大十字形尖锥b的高度相同，用h1表示，h1＝23mm；小十字形尖锥a和小十字形尖锥b的高度相同，用h2表示，h2＝23mm，圆柱高度都相同，用h3表示，h3＝7mm，圆柱半径也都有相同，用r1表示，r1＝5mm；
57.两对尖锥大组和小组轴线间的距离d＝54mm；大尖锥a和大尖锥a’为十字交叉安装，交叉角α＝90
°
，大尖锥b和大尖锥b’为十字交叉安装，交叉角用β＝α；小尖锥a和小尖锥a’为十字交叉安装，交叉角用θ表示，θ＝90
°
，小尖锥b和小尖锥b’为十字交叉安装，交叉角用δ表示，δ＝θ。
58.如图3为支撑架结构图支撑架高度b＝54.61mm，长度l＝200mm，宽度a＝109.22mm，支撑架壁厚dd＝2mm。
59.当微波源输入功率为1000w的微波时，如图4所示为两组尖锥的相对距离对小尖锥尖端最大场强大小影响的仿真曲线，改变两组尖锥的相对距离d，小尖锥尖端最大场强会明显改变；如图5所示为大十字形尖锥a和大十字形尖锥b的高度h1对小尖锥尖端场强大小的影响的仿真曲线，改变大尖锥的高度，小尖锥尖端最大场强会明显改变；如图6所示为小十字形尖锥a和小十字形尖锥b的高度h2对小尖锥尖端场强大小的影响的仿真曲线，改变小尖锥的高度，小尖锥处最大场强会明显改变。经优化仿真，点火腔体内部场强分布情况如图7，小尖锥尖端处可获得的4
×
106v/m的场强，该场强足以击穿空气，实现点火。
60.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，其特征在于：该微波点火机构包括大尖锥a、大尖锥a’、大尖锥b、大尖锥b’、小尖锥a、小尖锥a’、小尖锥b、小尖锥b’、支撑片和支撑架；所述大尖锥a的主体结构为一梯形金属片，梯形金属片的底端两侧各带有一缺口，该缺口处安装有一小圆柱，小圆柱的下表面的圆心与梯形金属片的底端端点重合，梯形金属片的中心轴与小圆柱的中心轴平行；所述大尖锥a、大尖锥a’、大尖锥b、大尖锥b’结构相同；所述大尖锥a与大尖锥a’十字交叉安装；所述大尖锥b与大尖锥b’十字交叉安装；所述小尖锥a的主体结构为一梯形金属片，小尖锥a、小尖锥a’、小尖锥b、小尖锥b’结构相同；所述小尖锥a与小尖锥a’十字交叉安装；所述小尖锥b与小尖锥b’十字交叉安装；所述大尖锥a、大尖锥a’、大尖锥b、大尖锥b’、小尖锥a、小尖锥a’、小尖锥b、小尖锥b’通过支撑片安装在支撑架上。2.根据权利要求1所述的一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，其特征在于：所述大尖锥a、和大尖锥b的厚度相同均为m，m＝1-3mm；大尖锥a’和大尖锥b’的厚度相同均为n，n＝1-3mm；小尖锥a、小尖锥a’、小尖锥b、小尖锥b’的厚度均为k，k＝1-3mm。3.根据权利要求1或2所述的一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，其特征在于：所述支撑架为一长方形盒子，长方形盒子的顶端表面上带有两个长方形豁口，支撑片的尺寸大于该长方形豁口；与长方形盒子顶端的两个长方形豁口相对应的长方形盒子的底面上有两个滑轨；所述支撑片为4个，其中有三个支撑片通过长方形盒子顶端的一个长方形豁口将大十字形尖锥a悬挂在长方形盒子内，即三个支撑片与大十字形尖锥a的顶面通过螺钉固定连接，此时，三个支撑片位于长方形盒子外面，大十字形尖锥a位于长方形盒子内；另外一个支撑片通过长方形盒子顶端的另一个长方形豁口将小十字形尖锥a悬挂在长方形盒子内，即支撑片与小十字形尖锥a的顶面通过螺钉固定连接，此时，支撑片位于长方形盒子外面，小十字形尖锥a位于长方形盒子内。4.根据权利要求3所述的一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，其特征在于：大十字形尖锥b安装在长方形盒子内的其中一个滑轨上；小十字形尖锥b安装在长方形盒子内的另一个滑轨上；大十字形尖锥a的中心轴与大十字形尖锥b的中心轴重合；大十字形尖锥a的小端与大十字形尖锥b的小端相对，且距离d1为1-5mm；小十字形尖锥a的小端与小十字形尖锥b的小端相对，且距离d2为1-5mm；大十字形尖锥a和大十字形尖锥b的高度相同，用h1表示，h1＝22-24mm；大十字形尖锥a、大十字形尖锥b的上的圆柱高度都相同，用h3表示，h3＝6-8mm，圆柱半径也都有相同，用r1表示，r1＝4-6mm；
小十字形尖锥a和小十字形尖锥b的高度相同，用h2表示，h2＝22-24mm。5.根据权利要求4所述的一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，其特征在于：两对尖锥即大组和小组轴线间的距离用d表示，d＝52-56mm，支撑架高度b＝54.61mm，长度l＝200mm，宽度a＝109.22mm，支撑架壁厚dd＝2mm。6.根据权利要求1或2所述的一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，其特征在于：大十字形尖锥a在长方形盒子顶端上能够沿着长方形豁口滑动或旋转，工作频率不同时，调节大十字形尖锥a的位置和角度，使小尖锥尖端场强达到空气击穿阈值；小十字形尖锥a在长方形盒子顶端上能够沿着长方形豁口滑动或旋转，工作频率不同时，实现小十字形尖锥位置和角度微调，使小十字形尖锥场强能击穿空气时，有更小的输入功率；大十字形尖锥b能够在长方形盒子内的滑轨上滑动，在大十字形尖锥a的位置和角度改变后，保证大十字形尖锥b与大十字形尖锥a中心轴始终对齐；小十字形尖锥b能够在长方形盒子内的滑轨上滑动，在小十字形尖锥a的位置和角度改变后，保证小十字形尖锥b与小十字形尖锥a中心轴始终对齐。7.根据权利要求1所述的一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，其特征在于：将大十字形尖锥a、大十字形尖锥b、小十字形尖锥a和小十字形尖锥b均安装在支撑架上，将支撑架置于波导腔内，使支撑架与波导内壁贴合，微波进入点火腔体后，在波导金属内壁和两对金属尖锥之间多次反射叠加，在小十字形尖锥a、b的小尖端相对位置的正中间形成强电场，这个电场的强度能够直接击穿空气，产生火花，实现点火。

技术总结
本发明涉及一种由两组十字形尖锥构成的微波点火机构，属于微波点火技术领域。本发明机构在腔体内工作时，调整终端短路面或开路面的位置，可以使腔体在谐振频率点形成纯驻波，通过调整两组尖锥的位置和相对距离，可以对谐振频率实现微调，使小尖锥尖端场强最大，本发明的结构采用金属片状结构，可以减轻机构的重量；终端利用开口波导和短路波导都能实现匹配，应用场景更广阔；有可调节支撑架，使点火机构可用于不同频率点火；导体结构边缘变化更剧烈，对电场的增强作用更明显，能在1kW的输入功率下，达到4


技术研发人员：任武 董先钰 李伟明 薛正辉
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15