[发明专利]一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置及方法

说明书

本发明提供一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，包括双膜激波管、安装于双膜激波管上的PCB压力传感器和光电倍增管，以及与PCB压力传感器和光电倍增管相连的数据采集系统；所述双膜激波管包括依次连接的驱动段、中间段和被驱动段，被驱动段的一侧端面上设有端面组件，所述端面组件由端面法兰和面向被驱动段的内部的可拆卸反射面组成，可拆卸反射面均为收缩形反射面；所述驱动段和中间段设有第一PET膜，中间段和被驱动段设有第二PET膜。本发明还提供了相应的方法。本发明的装置利用可拆卸反射面产生激波聚焦，方便研究发射面与激波聚焦的关系，且结构简单，操作性好，可重复性高，解决了对激波聚焦效果有效监测的难题。

技术领域

本发明属于激波实验技术领域，具体涉及一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置及方法。本发明可应用于不同反射面产生的激波聚焦的点火效果的测量，在爆轰物理，激波物理以及流体动力学等研究领域中有着广泛的应用前景。

背景技术

爆轰是一种激波与燃烧波强耦合的一种燃烧现象，其特点是激波与燃烧波相互耦合高速自持传播，速度可以达到几千米每秒，能量释放速度极快。在安全生产方面，了解爆轰现象的产生原因并进行预防对于人员与财产安全有着重大意义。同时在推进领域，研究人员也很早研究了将爆轰利用于发动机推进的可能，目前对于爆轰发动机的研究最核心的问题就是爆轰发动机的点火问题。

爆轰发动机将应用于高速推进领域，而当飞行器的飞行速度很高时，由于飞行器燃烧室的长度有限，空气驻留在燃烧室的时间也十分有限，只有毫秒甚至微秒量级的时间。在这么短的时间内，如何实现燃料的快速可靠点火成为主要问题。对于爆轰发动机起爆问题，以前的科研人员提出了很多的方法：直接起爆法、在燃料中加入强化爆轰的添加剂、预爆轰管法、利用固体障碍物进行爆燃转爆轰、利用射流进行爆燃转爆轰。但是都有相应的缺点难以进行实际应用之中。

直接起爆法，顾名思义就是直接利用火花塞点火头对燃料进行点火，其最大的缺点是所需点火能量巨大，对与有些碳氢燃料，其点火能量高达几百千焦，利用火花塞的能量(最大几十焦耳)不足以点燃；在燃料中加入强化爆轰的添加剂，如硝酸盐或过氧化氢可以有效降低点火所需的活化能，减小点燃的难度，但是其最大缺点是需要额外的添加剂储存和供给装置，这也会极大地增加系统的复杂度；预爆轰管是预先在较小的预爆轰管产生爆轰再向主爆轰管传播产生爆轰，但是其主要缺点是预爆轰管的引入会带来爆轰能否顺利向主爆轰管内传播的问题。

上面的几种方法都是属于直接起爆的方法，有着比较明显的缺陷，在实际工程运用与实验室研究中通常使用爆燃转爆轰的方法来产生爆轰波。爆燃是一种以每秒数米至数百米的亚音速传播的燃烧波，由一个前方的激波与后方的燃烧面组成，爆燃现象在自然界中广泛的存在，在实验与实际工况中也容易获得。利用爆燃转爆轰来获取可靠的爆轰是爆轰发动机的重要突破方向。爆燃转爆轰主要有两种方式一个是利用固体障碍物诱导爆轰，如挡板，圆环等等，还有一种是利用横向流体射流诱导爆轰。其可有效降低爆燃转爆轰时间与诱导距离，但是最主要的缺点是会带来总压的下降与推力的丧失。而利用横向射流诱导爆轰可以降低总压损失，但是有和强化爆轰添加剂一样的缺点：需要专门的流体储存装置，而且射流的控制也会增加系统复杂度。

随着人们对于激波聚焦的现象认识加深，利用激波聚焦诱导爆轰成为新的热点。激波是气体、液体和固体介质中压强，密度与温度在波阵面产生突然阶跃变化的压缩波，也叫冲击波。利用激波在不同楔形面凹腔产生激波聚焦现象，这会带来瞬时的高能区域，瞬间的高温高压会使燃料点燃。使用激波聚焦的优点在于该方法不需要主动点火装置，使用流场产生的高能区域自点火，而且带来的总压损失小于利用射流或障碍物诱导爆轰，同时除楔面凹腔不需要引入其他需要控制的复杂系统。

针对目前对激波聚焦的研究，在实验室中大多使用尾端面法兰平面与需要研究的反射面焊接，这样保证了实验装置的气密性，但是提高了尾端反射面的加工成本。目前激波聚焦用的都是半球形聚焦装置，见申请号为202011026231.1、201910606246.6、202011435485.9的专利文件。