激光诱导等离子体点火机理研究

Laser-induced plasma ignition (LPI) is a novel ignition technique which is developed to solve the problems of the current electronic ignition spark plugs in Attitude and Orbit Control rocket engine, such as high electronic voltage, bad electromagnetic compatibility, short lifetime, energy loss due to electrodes, and so forth. Most of current researches on LPI mainly focused on the macro ignition parameters, such as the minimum ignition energy and the ignition probability, and the ignition mechanism is basically about the heat soure ignition model. A ignition kinetic model containing heat source and active particle source will be set up by introducing the heat ignition and chemical kinetic ignition processes.The project will conduct theoretical and experimental researches on the laser-induced plasma ignition mechanism in methane/oxygen combustion system. The physicochemical characteristics of laser-induced plasma are expected to find out and the effect of active particles on the ignition process is expected to determined. By improving the LPI mechanism and figuring out the key factors affecting the ignition process, we hope to further the understanding of LPI ignition process and provide theoretical basis and guidance for practical application.

激光诱导等离子体点火（Laser-induced Plasma Ignition, LPI）技术是一种新型的点火方式，有望解决姿轨控火箭发动机电火花点火器高压工作、电磁兼容性差、寿命短、电极能量损失等问题。目前，关于LPI的研究工作主要集中于最小点火能量、点火成功率等宏观参量的研究，点火机理以热源点火模型为主。本项目通过同时引入热点火和化学动力学点火过程，建立含有热源和"活性"粒子源的点火动力学模型。采用理论和实验相结合的研究方法，开展甲烷/氧气混合燃气激光诱导等离子体点火机理的研究，获得激光诱导等离子体的物理化学特性，以及"活性"粒子对点火过程的影响规律；完善LPI机理和掌握影响点火过程的关键因素，推进对LPI点火过程的认识，为实际应用提供理论依据和指导。

激光等离子体点火技术具有点火位置和时序精确可控、电磁兼容性好、工况适应性好等优点，在内燃机、天然气发动机、燃气轮机等动力系统上具有广泛的应用前景。项目针对激光等离子体点火参数和机理不明确的研究现状，开展了激光等离子体点火机理研究，获得了如下创新性研究成果。.1）建立了甲烷/氧气混合燃气激光等离子体点火化学反应动力学模型，研究了热效应和燃烧化学反应效应在点火过程中的作用，明确了影响成功点火的关键因素是初始火核中激光等离子体产生早期形成的活性基团的浓度，提出了“热效应-燃烧化学反应”点火新机理，完善了现有的“间接点火”模型。.2）系统获得了甲烷/氧气混合燃气激光诱导等离子体的电子温度、电子密度、时空演化、活性粒子分布、振转温度等特性，为分析激光等离子体点火机理奠定了基础。.3）系统开展了甲烷/氧气预混和扩散燃气系统激光等离子体点火实验研究，建立了最小点火能量、点火延时等参数的研究方法，获得了相关参数的边界条件，为激光等离子体点火的应用奠定了基础。.4）提出了激光烧蚀等离子体点火技术，使成功点火的激光脉冲能量降低一个数量级，有利于激光等离子体点火系统的小型化，促进了激光等离子体点火技术的工程应用。.5）在国内最先开展了液氧/甲烷等低温燃料的激光等离子体点火研究，突破了低温推进剂燃料可靠重复点火的技术瓶颈，在姿轨控发动机燃烧模拟器上成功实现了液氧/甲烷的激光等离子体点火，填补了国内空白。.6）克服了超燃冲压发动机燃烧室中湍流耦合、激波干扰等恶劣条件，在国际上首次实现了Ma2.52超声速气流条件下航空煤油的直接激光点火和稳定燃烧，为超燃冲压发动机的可靠重复点火奠定了基础。.本项目的研究成果对于加深激光等离子体点火机理的研究、促进激光等离子体点火的工程应用具有重要的理论意义和应用价值，为火箭发动机、超燃冲压发动机等先进动力系统的可靠重复点火提供了重要的技术支撑。