中红外激光吸收光谱技术在ADN基推力器燃烧研究中的应用

	中红外激光吸收光谱技术在ADN基推力器燃烧研究中的应用
英文题名	Application of Mid Infrared Laser Absorption Technology on ADN-based Thruster Combustion
	曾徽
导师	余西龙，李飞
	2016
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	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。
索取号	31364
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59442
专题	高温气体动力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	曾徽. 中红外激光吸收光谱技术在ADN基推力器燃烧研究中的应用[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.

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20166191917.pdf（10764KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文