项目名称：面向智能化航天推进装备的等离子体控制技术及系统
- 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
- 北京市怀柔区八一路1号
- 101416
- 王越
- 010-66364425
| 姓名 |
聂万胜 |
电话 |
66364191 |
电子邮件 |
nws1969@126.com |
| 区号 |
010 |
邮编 |
101416 |
通信地址 |
北京市怀柔区八一路1号3380信箱98分箱 |
周思引 车学科 刘 翔 苏凌宇 陈 朋 仝毅恒 林 伟
| 专利类型 |
|
专利状态 |
|
| 申请号 |
授权日期 |
授权专利号 |
| CN201811580612.7 |
2020-04-24 |
ZL201811580612.7 |
| CN201910255809.1 |
2019-04-01 |
ZL201910255809.1 |
| CN201710592333.1 |
2018-12-25 |
ZL201710592333.1 |
| CN201911153627.X |
2021-03-16 |
ZL201911153627.X |
一、项目背景
航天发展，动力先行。液体火箭发动机作为航天推进装备领域的绝对主力，主要通过燃烧推进剂进而产生推力，燃烧组织的好坏直接决定了其性能。然而当前以液体火箭发动机为代表的现役航天推进装备燃烧组织过程都是通过固定热力机械组件（推力室）完成，不具备智能化基础，面对大范围变工况飞行适应能力明显不足。在装备研制阶段，为获得最优热力组件参数，往往只能反复试验、重复设计加工零件，研制周期长、投入成本极高、使用范围还受限。
针对以上存在的瓶颈问题，本项目围绕航天推进装备最核心组件推进剂喷嘴等进行创新，将高压放电等离子体控制技术与发动机喷嘴等组件进行有机结合，发明了介质阻挡放电同轴直流式等离子体喷嘴、高压放电智能雾化喷嘴及喷雾控制系统、基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，以及基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法。通过这些发明构建了基于电控燃烧的发动机等离子体控制技术专利群，可为未来智能化航天推进装备研发提供重要支撑。
二、项目的优势
本参评项目首次将高压放电等离子体用于航天推进装备燃烧控制，充分发挥了等离子体作用迅速、无惯性部件、工作范围宽等优点，可显著提升传统固定机械热力组件适应能力，为航天推进装备的智能、高效、宽范围、低成本控制打下基础。所发明的发动机等离子体喷嘴与当前国内外同轴式喷嘴相比，着火范围更宽，火焰稳定能力更好，燃烧效率更高，且费效比很低。国际上首次提出了基于等离子体的液体火箭发动机高频燃烧不稳定控制方法，为突破现有隔板、声腔这些固定机械装置存在的当上游推进剂供应状态发生大幅变化，导致其抑制高频不稳定燃烧能力不足这一关键问题提供了重要解决思路，且本发明无传统机械结构，避免了热防护等问题。在抑制发动机积碳方面，与已有国内外公开发明专利相比，本项目无需添加剂、无需拆卸发动机，实施成本低，不会损伤发动机本身性能。
三、评价
参评项目专利已用于中国航天科技集团第十一研究院相关装备预研项目，实现了很好的火焰稳定效果；用于北京宇航推进、南京苏曼等多家航天与等离子体领域知名高新技术企业的产品研发；用于国防科技大学和河北工业大学，促进了等离子体技术在空天领域的发展和学科建设。相关发明在节能减排方面的效果显示其对我国实现“双碳”目标也具有重要意义。围绕专利研发加强了校企合作，促进了军民融合；并且通过相关实践，培养了一批优秀的学生，社会、经济效益显著。
本项目针对当前航天推进装备关键热力组件存在的大范围变工况条件下燃料与氧化剂混合不充分、液体射流雾化品质不高、燃烧性能不好、无法直接点火，以及难以实时快速应对高频不稳定燃烧等问题，通过相关专利为解决这些难题提供重要支撑：
专利1：基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，ZL201710592333.1
创新点如下：
（1）将火箭发动机喷嘴与电极融合设计，结构简单、便于使用维护；
（2）充分发挥等离子体化学动力学效应和热效应，实现推进剂高效预处理；
（3）采用电控方式可实现宽范围的发动机燃烧性能调节。
对比同类技术有以下特点：
（1）发明的喷嘴调节范围更宽、控制更迅速，通过优化控制参数，着火范围可较传统喷嘴高75%；
（2）现有改变机械结构优化喷嘴的途径代价很大，本发明几乎不改变原来喷嘴构型，且效费比很高。
专利2：一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，ZL201811580612.7
创新点包括：（1）可灵活主动应对高频不稳定燃烧；（2）无复杂机械装置，避免了复杂热防护；（3）充分发挥了电控流动燃烧响应迅速特点，抑制快。
对比表明，现有高频不稳定燃烧解决措施均采用隔板和声腔，属于被动控制，研制经费与时间成本极高，控制范围受限；本发明能调节电学参数实施主动控制，作用范围宽、响应迅速、避免复杂热防护问题，从而降低成本。
专利3：基于高压放电的智能雾化喷嘴及喷雾控制系统，ZL201911153627.X
创新点如下：
（1）利用非对称表面介质阻挡放电产生切向诱导射流特性，实现对液体燃料雾化形态、参数的有效调节；
（2）通过闭环控制系统，实现对雾化场智能主动控制；
（3）产生非平衡等离子体整体宏观温度低，可长期稳定运行，采用模块化设计便于零部件替换与维护。
对比表明，本发明可调节推进剂雾化范围较传统直筒式、撞击式和同轴式喷嘴更宽，且由于直接在喷嘴处由电激励控制，调节更快。
专利4：一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，ZL201910255809.1
创新点如下：
（1）采用等离子体激励器与发动机喷嘴一体化设计使得容易实现，且几乎不额外增加重量；
（2）为实时在线抑制和清除积碳提供了解决方法。
对比同类技术有以下特点：
（1）现有加添加剂的方法影响发动机工作性能，本方法不影响原始性能；
（2）现有拆卸发动机热力组件方法费时费力，且可能对发动机带来不可逆损伤，本方法无需拆装热力组件；
（3）现有其它方法系统庞大复杂难以用于航天推进装备，本发明简单易行。
综上所述，本项目创新性显著。
自项目研发以来取得了显著的国防、社会和经济效益，因作为军队单位不能对外有偿服务，故面向航天及国防企业无偿提供技术支持，先后为多家航天军工企业、商业航天企业以及院校相关装备预研、项目研究及人才培养提供了有力支持。具体应用情况如下：
（1）应用于航天科技集团有限公司第十一研究院，在该单位装备预研项目“飞行器***新技术”中，基于该专利研制了等离子体喷嘴，开展了超声速可燃气等离子体点火助燃/稳燃研究，使用显示该装置火焰稳定效果好、费效比低、能长期工作。
（2）应用于南京苏曼等离子科技有限公司，通过相关专利加快了该司DBD等离子体反应器产品的研发，工程测评表明，该产品结构紧凑、放电效率好、工作可靠性高、便于维护升级，已成功实现规模化生成，产生了较好的经济效益。
（3）应用于北京宇航推进科技有限公司，用于该司未来智能化航天发动机高效稳定燃烧产品研发任务，综合分析显示该专利提出的方法适合于航天器小型姿轨控发动机，通过优化控制方案能够有效抑制高频不稳定燃烧。
（4）应用于空天合一北京空间科技有限公司，用于该司新型双组元化学推进火箭发动机喷注器开发，基于该专利的雾化喷嘴能够实现推进剂喷注雾化的主动控制，有效调节雾化参数形态，服务于其下一代智能火箭发动机设计。
（5）应用于北京利华基业离子束科技有限公司，为该司等离子体除积碳装置的开发发挥了重要作用。测试显示其结构继承性好，独特的设计使得在狭小空间积碳去除方面具有显著效果，且能耗很低。
（6）应用于国防科技大学****发动机直连式试验，试验结果证实等离子体凹腔（等离子体喷嘴是其核心装置）对发动机火焰稳定范围扩展和燃烧效率提升有显著作用，准备后续开展飞行试验测试，逐步实现工程应用。
（7）项目的等离子体激励器设计方法还被应用于河北工业大学“基于等离子体控制技术的燃气轮机高效气膜冷却技术”新研究方向的开拓，该单位研究人员通过到本单位对该专利及其研发现状进行调研，引进了相关设计方法、实验技术，在本单位免费帮助下建设了等离子体控制燃气轮机涡轮叶片流动实验系统。
此外，基于项目系列发明研制的实验系统在航天工程大学人才培养方面发挥了显著效益，支撑了2名博士生、5名硕士生以及9名本科生的毕业论文，为学生开展创新实践提供了有力支撑，发表研究性论文10余篇，获全国高等学校航空航天类专业本科毕业设计成果交流会特等奖、全国大学生等离子体科技竞赛二等奖等各类科技竞赛奖励5项。
