基于量子级联激光器的ADN基液体发动机稳态燃烧CO特征浓度的实验测量

二硝酰胺铵(AND)作为一种绿色无毒推进剂已在固体推进剂以及液体推进剂领域得到一定程度的应用,是未来化学推进技术的一个新方向.目前我国正处于ADN基液体推进剂研究的起始阶段,对于其燃烧反应过程的研究是当前的一个研究重点.由于ADN基液体推进剂催化分解及燃烧反应过程复杂,相关的实验结果国内外公开文献发表较少,因此有必要开展ADN基液体发动机催化分解及燃烧反应的实验研究.本实验采用基于量子级联激光器的吸收光谱诊断技术,对ADN基液体发动机燃烧室内燃烧过程进行探究.CO是ADN基液体推进剂催化分解及燃烧反应的特征产物之一,通过测量ADN基液体发动机典型工况下CO的特征浓度,可以定量获得ADN基发动机...</p

Measurement of multispecies concentration and gas temperature in an ammonium-dinitramide-based thruster by tunable diode lasers

In this paper, quantitative experiments were made to measure the concentration of key intermediate products (CO, N2O, and NO) and the gas temperature for combustion flow based on near-infrared and mid-infrared laser absorption spectroscopy. This paper used the developed diagnostic system to study two main ignition modes of a real 1-Newton thruster based on ammonium dinitramide (ADN): steady-state firing and pulse-mode firing over a feed pressure of 5-12 bar. The steady-state firing experiments distinguished the whole process into catalytic decomposition stage and combustion stage, experimentally demonstrating the combustion kinetics mechanism of an ADN monopropellant. Experiments for pulse-mode firing showed the measured multispecies concentration and temperature were consistent with pulse trains, verifying good performance for the thruster pulse-mode firing operation. The performance of the thruster was given based on the optical measurements, and characteristic velocity for the ADN-based thruster standard operation was higher than the corresponding 1-Newton hydrazine thruster. (C) 2018 Optical Society of America</p

Application of Mid Infrared Laser Absorption Technology on ADN-based Thruster Combustion

绿色推进技术是空间推进领域的国际研究热点。其中，ADN(二硝酰胺铵盐)基单组元液体推进剂以其高能、绿色无毒、低特征信号的特性成为重要研究对象。基于该推进剂的卫星姿控推力器，已于2011年由欧航局(ESA)发射升空，进行了迄今为止唯一的在轨飞行实验。然而，由于ADN基推进剂的分解、燃烧反应过程非常复杂，它包含了高能氧化剂ADN的催化分解、 燃料甲醇的脱氢反应以及中间小分子产物的燃烧反应等，目前，国内外对ADN基推进剂分解和燃烧过程缺乏统一、完善的燃烧动力学机理，尤其欠缺对推力器内部燃烧过程的实验研究，缺乏关键中间产物的定量信息。基于此，本文通过发展先进光谱诊断技术，实时诊断推进剂分解、燃烧反应中的关键参数(多种组分浓度、燃气温度)，这对于理解ADN基单组元推进剂的催化分解和燃烧过程的动力学机理具有重要意义。同时，微观参数(组分浓度)和宏观参数(燃气温度、内外壁温、压力)的结合，既可以指导推力器的整机设计和特征尺寸的优化，又能评估推力器的整体工作性能和燃烧稳定性。 先进光谱诊断技术对于ADN基推力器的地面实验研究具有重要意义，在多种非接触光学测量手段中，激光吸收光谱技术(LAS)的测量精度高、时间分辨率高、环境适用性极强，是推力器燃烧诊断的理想手段。本文针对ADN基推力器地面点火的复杂燃烧环境(小尺寸、高温、高压)，以及推进剂分解、燃烧的三种关键中间产物CO、N2O、NO，基于中红外量子级联激光器 (QCL)，发展了一套中红外、近红外相结合的多参数吸收光谱在线诊断系统。结合辐射测温、热电偶和高频压力传感器，可实现多参数同时测量，具体包括：(1)多种组分浓度定量测量；(2)多温度测量，含燃气温度、内壁温度、外壁面多位置温度；(3)燃压测量。 设计加工两台额定推力均为1N的光学推力器，催化床床长分别为19 mm和14 mm，燃烧室及喷管的结构和尺寸相同。开展多工况下的地面点火和在线诊断测试，主要工况为稳态点火和脉冲点火，喷前压工作范围(5-12 bar)。实验结果证明了ADN基推力器良好的稳态点火和脉冲点火能力，清晰的区分了推进剂催化分解和燃烧两个阶段，首次从实验上明确了ADN基液体推进剂分解的主要反应路径( )，并验证了推进剂的燃烧动力学机理。燃烧室内壁面温度反映了燃烧反应的最大释热区从下游向上游传递的现象，这可能是推力器组件热回浸现象的根源。对比两组推力器，床长14 mm的推力器性能在实际性能(比冲、特征速度)、燃烧稳定性(稳态、脉冲)、压力工作范围、脉冲启动特性等多个方面都要优于床长19 mm的推力器，这为推力器设计提供了关键数据。 本文的主要意义在于通过发展中红外激光光谱测量技术，国际上首次实现对ADN基推力器内的多种关键中间产物(CO、N2O、NO)的定量浓度测量，明确了ADN基推进剂催化分解主要路径，验证了燃烧反应的动力学机理。结合其他测量手段，详细研究了推力器内的燃烧特征。该测量平台为评估ADN基推力器的燃烧稳定性、燃烧进程和热特征提供了有力手段，其测试结果为推力器设计和特征尺寸优化提供了定量依据。此外，本文建立了的可模拟高温、高压燃烧环境的中红外吸收光谱标定系统，对于光谱常数标定和中红外光谱技术的发展具有一定意义

一种用于吸收系数标定的高温高压光学腔及其使用方法

一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，该成像系统包括n个前端透镜、n个机械定位装置、n条光纤传像束、后端透镜、波长选择模块、单台CCD相机、图像采集模块、数据处理模块，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。还提供使用方法

中红外激光吸收光谱诊断ADN基推力器实验研究

ADN基推进技术是下一代卫星推进技术的研究热点,在卫星和火箭姿态控制以及小卫星主推进系统有广泛的应用前景。ADN基推进技术兼具单组元推进结构简单、可靠性高和双组元推进性能的优点,同时其推进剂是一种绿色无毒推进剂,被认为是肼类推进剂的理想替代品。目前关于ADN基推力器的工作,国内已经成功研制了工程样机,但是对于发动机内部燃烧机理的研究还很欠缺,这部分的掣肘也极度影响对工程样机可靠性的验证。本实验利用中红外吸收光谱技术,利用QCL量子级联激光器对发动机燃烧中重要的特征组分:CO,NO,N2O进行诊断测量测量。CO,NO,N2O是ADN基发动机燃烧室催化分解和燃烧反应的重要产物,是燃烧完全程度的直接..

中红外吸收光谱测量激波风洞自由流中NO浓度和温度

JF-10氢氧爆轰驱动激波风洞内的高焓自由来流气体中含有因电离和离解等非平衡过程产生的微量组分。利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS),对自由流中NO微量组分的浓度和温度进行测量,有助于定量理解气体电离和离解这一非平衡过程。本实验中,JF-10氢氧爆轰驱动激波风洞实验段内压力为百帕量级,在谱线加宽中多普勒加宽占据主导,多普勒半高宽可由分子平均热运动速度获得,其半高宽与温度的平方根成正比,因此选取一条吸收谱线并准确测定其多普勒半高宽即可得到温度和浓度。本实验中采用中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser),选取1909.7cm-1附近6条吸收线作为吸收线,在2kH..

Plasma assisted stabilization of a premixed methane-air flame by nanosecond repetitively pulsed discharges

Nanosecond pulsed discharges were applied to an experimental study of the temporal response of a premixed methane-air Bunsen flame.A nanosecond-gated schlieren system was employed to explore the microstructure and the dynamic response of flame to the discharges.At the meantime,time-resolved optic..

电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键，常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境，电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术，选用原子O（777.19nm）谱线，基于局部热化学平衡等离子体假设，对电弧加热器内高温离解空气（〉5000K）试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H0=15.8，17.4MJ/kg 2组工况下，电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K，对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在（1.1-1.2）×10^18cm^-3之间，低能级5S20粒子数密度在（1.0-1.6）×10^10cm^-3之间，2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致，验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段

中红外吸收光谱测量激波风洞自由流中NO 浓度和温度

针对JF-10 氢氧爆轰驱动激波风洞内的高焓来流，利用可调谐二极管吸收光谱技术（TDLAS），对自由流中一氧化氮浓度和温度进行测量。利用1909.782019 cm?1 吸收线，在2 kHz 的扫描频率下，采用直接吸收-波长扫描法进行温度和浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱诊断技术:原理和应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种非接触的光谱诊断技术,已经广泛应用于高温气动研究中.文章对吸收光谱的发展和应用于高温反应环境温度和组分浓度的测量进行了回顾.对不同的吸收测量策略以及相应的系统组成进行了详细介绍,最后介绍了应用吸收光谱技术研究超声速燃烧火星再入以及空间推进系统的详细结果