使用含能掺杂改性工质的等离子体射流点火装置及方法

本发明涉及空天推进系统点火，具体涉及一种使用含能掺杂改性工质的等离子体射流点火装置及方法。

背景技术：

1、空天推进系统点火是将系统从非工作模式进入工作模式，其可靠性是应用的前提条件。随着航空航天技术进步，飞行器飞行在高空、高速、低气压、低温等极端条件下发动机再次点火困难，传统电火花点火方式点火能量低，点火区域小，极端条件下点火可靠性差；新型推进剂较传统燃料具有不同的分子结构，传统点火方式同样面临可靠性的问题。因此，研制一种高可靠性的点火系统具有重要的意义。其中等离子体点火技术是其中的研究热点之一。

2、等离子体点火是通过气体放电形成局部高温区域，激发大量的活性粒子，使燃料迅速进入燃烧状态的一种点火方式，等离子体点火原理主要依靠热效应、气动效应、活性粒子的化学效应等，相较于传统点火方式，等离子体点火具有点火区域大、点火延迟时间短、点火能量利用率高等特点。按照放电形式不同，可分为直接击穿电弧点火、滑动弧放电、纳秒脉冲电晕放电点火、等离子体射流点火等。

3、其中毛细管放电等离子体射流具有高温(>10000k)、高速度(1-10km/s)、高热流密度(可达gw/m2级)、高出口压强(在数mpa至数十mpa量级)等特性，可应用于空间电热推进、材料表面改性、发射药点火、有害物质处理以及长空气触发间隙的触发等多个领域。和其他等离子体点火方式相比，毛细管放电仅使用固体工质，不依赖复杂的气路与管道系统，结构简单可靠，可降低系统的故障率，点火区域更大，能够实现非接触式点火。

4、然而毛细管放电射流存在时间较短，一般仅为数十微秒至毫秒量级，在开放的空间中和较大体积燃烧室中，无法为高温高压等离子体提供较长时间的约束，另外空天推进系统点火需要点火系统可重复多次运行，传统毛细管放电多依赖金属丝电爆炸导通毛细管通道，每次放电结束后，需要更换金属起爆丝，无法重复运行。

技术实现思路

1、针对现有技术中的毛细管型等离子体射流装置存在的问题，本发明的目的在于提供使用含能掺杂改性工质的等离子体射流点火装置及方法，使用含能掺杂高聚物作为毛细管工质块，旨在放电中电弧烧蚀管壁材料组分进入等离子体，使其中活泼金属组分与高聚物组分发生化学反应释放能量提升射流温度与热流，提升点火效能。

2、为达到上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种使用含能掺杂改性工质的等离子体射流点火装置，包括外壳8，含能掺杂工质块1同轴安装于外壳8内部，含能掺杂工质块1由纳米级至微米级的活泼金属粉末，与高聚物粉末混合、压制、烧结、机械加工制成改性含能工质，并在轴心加工毛细管通道12，侧面加工一圆柱形通道14与毛细管通道12连通；外壳8前部与前法兰盖板5相连接，后部与后法兰盖板7相连接；前法兰盖板5同轴心加工扩张型的阴极喷嘴6；阳极2从含能掺杂工质块1的后部插入毛细管通道12，触发电极3从含能掺杂工质块1侧面的圆柱形通道14插入，将阳极2端部与前法兰盖板5之间的毛细管通道12分隔为阳极2与触发电极之间的部分，称为触发通道15，和触发电极3与前法兰盖板5之间两部分；阳极2与触发电极3外部安装绝缘子4实现与外壳电气隔离；在与外电路连接方面，脉冲电压生成电路9的高电压输出端与触发电极3连接，脉冲电压生成电路9的低电压输出端与前法兰盖板5连接，脉冲电流生成电路10高电压输出端与阳极2连接，脉冲电流生成电路10低电压输出端与前法兰盖板5连接。

4、所述脉冲电压生成电路9空载输出电压为39kv，防止触发间隙15所需击穿电压高于脉冲电压生成电路9的输出电压时，等离子体射流点火装置便因无法触发引起毛细管放电等离子体射流而无法工作。

5、所述含能掺杂工质块1与绝缘子4间采用相互咬合的结构增加沿面距离，增加绝缘子4外沿面距离，防止在除触发间隙15之外其他位置发生闪络放电导致触发失败。

6、所述相互咬合的结构为绝缘子4在含能掺杂工质块1内呈先渐扩再等径结构。

7、所述阴极喷嘴6采用锥形扩张形状，锥角5°-15°。

8、采用限位螺丝11安装于绝缘子4外侧，与外壳8固定连接。

9、含能掺杂工质块1的制备方法为：

10、将纳米至微米尺寸的活泼金属粉末与为微米粒径高聚物粉末，以一定的比例混合，活泼金属粉末占粉末总质量的3％-26％，或掺杂部分活泼金属氧化物粉末以改善含能工质块的机械性能，或者加入少量高氯酸铵粉末以增加反应释放的化学能；将所有粉末置于搅拌机中剪切混合均匀后，放入中间带孔的圆柱形液压机模具中，填料一次完成，加压并保持，之后缓慢逐渐卸除液压机压力，制成中间带有通孔圆柱体毛坯，静置以消除内部应力，之后在氩气保护气氛中烧结，首先以50摄氏度每小时的升温速率升温至370-390摄氏度，保温2-6小时，再以50摄氏度每分钟的降温速率降温至327摄氏度，保温2小时，再以50摄氏度每分钟的降温速率降低至室温；最后通过机械加工，将工质块轴心位置加工为毛细管通道12，并在圆柱形工质块的侧面垂直向内加工圆柱形通道14与毛细管通道12连通。

11、所述活泼金属粉末为铝粉或硼粉；所述高聚物粉末为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯或聚醚醚酮。

12、所述的一种使用含能掺杂改性工质的等离子体射流点火装置的工作方法，导通脉冲电流生成电路10中固态开关，在阳极2与前法兰盖板5之间施加1-2kv高电压，放电过程中前法兰盖板5作为阴极；延时后，脉冲电压生成电路9向触发电极3施加触发高压脉冲，诱发阳极2端部、触发电极3端部之间的触发通道15发生沿面放电；

13、触发通道15沿面放电形成电弧，电弧烧蚀触发通道15的毛细管管壁材料形成的高电导率等离子体向作为阴极的前法兰盖板5运动，当等离子体到达阴极前法兰盖板5时，阳极2与阴极前法兰盖板5之间毛细管通道充斥高电导率等离子体，阳极2与阴极前法兰盖板5之间的通道，也就是脉冲电流生成电路10的高电压输出端与低电压输出端被短接，从脉冲电流生成电路10高电压输出端——阳极2——毛细管通道12中的电弧——阴极前法兰盖板5——脉冲电流生成电路10低电压输出端的放电回路形成，脉冲电流生成电路10中储能电容存储的电能通过毛细管通道12中的电弧负载开始释放，高温电弧辐射能使固体工质的毛细管管壁含能掺杂工质材料烧蚀形成高温高压等离子体，而等离子体中活性金属粉末与高聚物粉末组分发生化学反应释放能量，进一步提升等离子体射流内能；含能掺杂工质块1的毛细管通道12内壁材料不断相变、分解进入毛细管通道12内部，增大腔体内部压强，使得等离子体在压力梯度作用下不断向阴极喷嘴6运动，并最终向外喷射产生高温高密度等离子体射流13。

14、等离子体射流点火装置通过等离子体喷射触发导通阳极2与阴极前法兰盖板5间的毛细管通道12，单次放电工质块与电极烧蚀质量在数毫克至数十毫克质量，单次放电后其形貌无明显变化，待脉冲电流生成电路10储能完毕可以立即开始下一次放电。

15、目前虽已存在可重复运行的两间隙结构可重复运行的毛细管放电等离子体装置，例如专利“一种用于驱动消融毛细管放电的组合波电路，专利号cn201610256978.3”、论文“基于毛细管放电等离子体产生瞬态高热负荷的实验研究”等，本发明与这些可重复运行的两间隙毛细管射流装置的工质种类、结构设计与应用场合有所不同：

16、(1)在工质种类上，已有可重复运行毛细管放电射流装置采用普通高聚物工质，比如聚乙烯、聚四氟乙烯等，烧蚀形成过程中需要吸收大量电弧能量，用于高分子化合物化学键的解离、气化、电离产生等离子体；而本发明掺杂纳米至微米粒径的铝、硼的聚四氟乙烯改性工质，烧蚀过程中高温引起组分发生化学反应释放化学能，可以补偿一部分烧蚀过程中的能量损失，同时增加射流能量；其反应方程式为：

17、4al+3c2f4＝4alf3+6c+q1

18、其中q1为反应释放的热量，释能可达14.9kj/g。

19、(2)在装置结构方面，已有的可重复运行两间隙射流装置触发电极与阳极间隙较短，一般仅为2-3mm，触发电极电压不高，一般不超过20kv，当多次放电电极烧蚀缩短，触发间隙增长，击穿电压逐渐增加，当触发间隙长度增大到需要的触发电压高于触发电极输入电压峰值时便无法击穿，限制了使用的次数，此外电极与外壳之间绝缘也未经加强设计；而本发明装置考虑了电极烧蚀缩短触发电极变长的因素，将施加到触发电极的空载电压提升至39kv，使用相互咬合的接触面结构加强了触发电极绝缘子内外沿面长度，防止与外壳之间发生沿面闪络现象，高触发电压能够实现更长的触发间隙实现击穿，很好地适应了电极烧蚀缩短触发间隙变长的过程，能够实现更多次数的重复放电。

20、(3)在应用背景上，已有的可重复运行两间隙射流装置应用于长空气间隙导通，高热负荷模拟等领域，而本发明的毛细管等离子体射流装置应用于空天推进系统点火领域。

21、含能掺杂高聚物工质的制备方法在论文“脉冲等离子体推力器工作过程及工质改性的理论与实验研究”等文献中有所提及，但该论文中的的工质块结构、工作环境和掺杂目的与本发明有本质的不同。

22、论文中改性工质块应用于脉冲等离子体推力器上，工质块的结构是长方体，工作于真空环境，通过掺杂使烧蚀等离子体电导率改变，进而改变流经等离子体的电流，目的在于改变推力器工作的推力参数；而本发明的含能掺杂工质块应用于毛细管型等离子体射流点火器，制成同轴心、带有毛细管通孔的结构，放电过程中工质块毛细管中压强可达数mpa量级，掺杂的目的是通过化学反应放热提升射流能量。

23、和现有技术相比，本发明具有以下优点：

24、1、采用含能聚合物材料作为点火器工质，提升等离子体射流温度与热流，利用电热加速机制加速含能颗粒，对推进剂表面轰击增强局部热点，可提升点火效能；

25、2、采用三电极结构设计，依靠等离子体喷射触发，可实现射流点火装置的可控、重复和高可靠放电；提升触发电极电压与增强绝缘子沿面长度，适应电极烧蚀长度缩短触发间隙击穿电压提升，实现更多的放电次数。

26、3、增能型重频等离子体射流产生采用全固体工质，无需点火材料储供装置与机构，系统简单可靠，不易发生失效。

27、4、提升脉冲电压生成电路输出电压以适应多次放电触发间隙变长，实现更多的放电次数，同时在绝缘子与含能掺杂工质块之间使用相互咬合的连接结构增加沿面距离，与增加绝缘子4外沿面的长度手段，加强了射流装置电绝缘强度，以避免脉冲电压生成电路9输出电压提升带来其他位置绝缘破坏的问题。