CN104864977A - 一种考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法，本发明基于普朗克定律，通过采集燃气辐射光谱波长与对应的光谱辐射强度数据，将燃气光谱波长和光谱强度的实测关系曲线与不同温度下的普朗克曲线进行匹配，根据匹配程度，确定火箭发动机燃气实际温度；本发明所能测试温度最高可达5000K，远远超过热电偶的测温范围，更适应于火箭发动机燃气高温测量；本发明能够采集多达数百个波长及所对应的光谱辐射强度数据，提高了波长和光谱辐射强度数据拟合的精度，具有较强的抗干扰能力。相比于双波长测温法和8波长光谱仪测温，能更准确计算燃气温度，适用性更强。

Description

一种考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法

技术领域

本发明涉及火箭发动机燃气温度的测试方法，属于温度测量技术领域，具体涉及一种考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法。

背景技术

火箭发动机燃气温度在推进剂燃烧机理研究、发动机结构设计和发动机防烧蚀设计方面具有重要的参考价值。燃气温度，一方面是火箭发动机推进剂的重要能量参数，为推进剂配方调节提供设计指导；另一方面，是表征流场特征及火箭发动机内弹道性能的主要参考依据；同时，燃气温度也是影响火箭发动机内绝热层烧蚀性能的重要参数，为发动机热防护提供设计依据。但是，由于火箭发动机工作环境恶劣，且燃气温度非常高(通常大于3000K)，燃气温度的测试是一项要求高、难度大的复杂技术，多年来一直没有真正解决。目前，燃气温度测试方法基本上可以分为接触式测温法和非接触式测温法两大类。

接触式测温法如热电偶法，其局限性在于测量温度范围十分有限，一般用于2500K以下的温度测量，应用到火箭发动机燃气温度测量时，热电偶无法测量高温燃气温度；其次，热电偶测温响应慢，具有一定的滞后性，不适合火箭发动机燃气温度的动态快速响应。

非接触测温方法中，适合火箭发动机燃气温度测试的方法并不多：

西北工业大学的徐朝启等人在《固体推进剂燃烧温度的双波长测试方法》提出了一种双波长法测试固体推进剂燃烧温度。选取两个波长区间，得到两个区间光谱辐射量的比值，拟合光谱辐射量比值和温度的关系式，在实验测得光谱辐射量的前提下，通过拟合关系式计算推进剂燃烧温度。这种双波长测温方法仍有一定的缺陷：(1)双波长测温法只能选取两个特定的波长区间，不能表征其他波段的光谱辐射量与温度的关系；(2)该方法主要测量推进剂凝相产物(主要是Al₂O₃)的光谱辐射量，忽略大量气相产物光谱辐射量的影响，只能适用于特定种类的推进剂；(3)该方法要求使用者预先测定其他推进剂的光谱辐射量和燃气温度，从而拟合出光谱辐射量与温度的关系式，应用于未知推进剂燃烧温度的测量，过程比较繁琐，无法进一步推广应用。

哈尔滨工业大学的孙晓刚等人在《基于多光谱法的固体火箭发动机羽焰温度测量》中，采用8波长高温光谱仪对中国某型号固体火箭发动机羽焰温度进行测量。这种方法的不足是：(1)光谱仪只能采集8个波长的光谱辐射强度数据，数据较少，容易受到非测量对象辐射光谱的干扰；(2)该方法需要预先假设被测对象的发射率模型，当被测目标实际的发射率模型与假定情形不相符时，误差很大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法，基于普朗克定律，以波长、温度和光谱辐射强度的关系作为数据处理依据，采集200nm-2000nm范围内光谱波长和对应的光谱辐射强度，建立波长和光谱辐射强度的数学模型，根据建立的数学模型计算火箭发动机燃气温度。

考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法基本原理如下：

对于黑体，普朗克定律表达式如下：

$E_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}\right)-1}---\left(1\right)$

式中：

E_b(λ，T)—－黑体的光谱辐射强度，[W/m²·μm]；

T——绝对温度，[K]；

λ——光谱辐射波长，[μm]；

c₁——第一辐射常数， $c_1=2\mathrm{\πg}{c}_0^2=3.741832\×{10}^8[W\·\mathrm{\μ}{m}^4/m^2];$

c₂——第二辐射常数，c₂＝hc₀/k＝1.4388×10⁴[μm·K]；

h——普朗克常数，h＝6.626176×10^-34[J·s]；

k——玻尔兹曼常数，k＝1.380662×10^-23[J/K]；

c₀——真空中的光速，c₀＝2.99792458×10¹⁴[μm·s]；

根据普朗克定律，预先计算获得每一个温度点(间隔1K取一个温度测量点)下波长与光谱辐射强度的普朗克曲线；然后利用多波长光谱仪实测燃气的波长与对应光谱辐射强度数据，拟合得到实测关系曲线；将实测关系曲线与不同温度下的普朗克曲线进行匹配，当两者相一致时，即认为实测关系曲线所代表的燃气温度为普朗克曲线所表征的温度。

本发明采取的技术方案为：

一种考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法，包括如下步骤：

S1、构建普朗克曲线数据库：采用编程的方式，根据普朗克定律，预先计算获得1000K-5000K范围内每一个温度点(间隔1K取一个温度测量点)下波长与对应光谱辐射强度的普朗克曲线，波长范围是200nm-2000nm；

S2、多波长光谱仪的标定：考虑到光谱经过发动机玻璃窗口、光学镜头和光纤传递过程中的能量损失，以及光谱仪采集处理信号的失真因素，实际数据处理过程中，1000K-3000K温度范围内，采用黑体炉对多波长光谱仪进行标定，获得光谱辐射强度的损失函数A(λ)，3000K以上，损失函数A(λ)采用外推法处理，从而得到普朗克定律修正关系式，如下：

$E(\mathrm{\λ},T)=A\left(\mathrm{\λ}\right)\·\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}\right)-1}---\left(2\right)$

式(2)中，A(λ)是只与波长有关而与温度无关的损失函数，它与该波长下光谱仪的响应率、光学元件透过率、几何尺寸及第一辐射常数有关。

S3、利用多波长光谱仪，采集火箭发动机燃气辐射光谱中多个波长和相应的光谱辐射强度数据，λ_i和E_a(λ_i，T_i)，波长范围限定于200nm-2000nm；

S4、根据标定的损失函数A(λ)和公式(2)，计算获取光谱辐射强度的补偿值E_c(λ_i，T_i)，计算式为E_c(λ，T)＝E_a(λ，T)/A(λ)；

S5、结合实测波长λ_i和光谱辐射强度补偿值E_c(λ_i，T_i)，拟合光谱辐射强度公式E_c(λ，T)＝g(λ，T)，从而得到燃气辐射光谱波长与对应光谱辐射强度的实测关系曲线；

S6、基于最小二乘原理，将光谱波长与对应光谱辐射强度的实测关系曲线与不同温度下的普朗克曲线进行匹配，当曲线的吻合程度最高时，即认为实测温度为普朗克曲线所表征的温度。

本发明具有以下有益效果：

本发明在国内首次提出，基于普朗克定律，采集燃气辐射光谱波长与对应的光谱辐射强度数据，拟合得到实测关系曲线，将实测关系曲线与不同温度下的普朗克曲线进行匹配，根据匹配程度，确定火箭发动机燃气实际温度。

本发明考虑了多波长光谱仪的温度范围是1000K-5000K，这个温度范围基本涵盖了火箭发动机燃气温度。相比于热电偶测温，本发明所能测试温度最高可达5000K，远远超过热电偶的测温范围，更适应于火箭发动机燃气高温测量。

本发明考虑了燃气辐射光谱波长范围是200nm-2000nm。针对燃烧室内气相产物和凝相产物共存的复杂的燃烧环境，本发明能够采集多达数百个波长及所对应的光谱辐射强度数据，提高了波长和光谱辐射强度数据拟合的精度，具有较强的抗干扰能力。相比于双波长测温法和8波长光谱仪测温，能更准确计算燃气温度，适用性更强。

本发明采用黑体炉在3000K以下对光谱仪进行标定。本发明综合考虑了数据采集过程中光谱能量损失和各元件带来的误差，对所采集的光谱辐射强度进行补偿，减小了因设备原因导致的光谱辐射强度损失。

附图说明

图1是本发明的实验装置示意图；

图中：1-火箭发动机；2-透明窗；3-光学镜头；4-多波长光谱仪；

5-计算机数据处理系统。

图2是本发明的数据采集处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，本实施例中的一种测试火箭发动机燃气温度的实验装置，主要包括：火箭发动机1，透明窗2，光学镜头3，多波长光谱仪4，计算机数据处理系统5。

如图2所示，具体的实施步骤如下：

(1)多波长光谱仪的标定。光谱辐射源是最高温度3000K的黑体炉，采用图1所示的光谱采集处理系统，在1000K-3000K的温度范围内，间隔1K取一个温度测量点，采集每一个温度点下波长λ_i与对应光谱辐射强度E_a(λ_i，T_i)，将实测光谱辐射强度E_a(λ_i，T_i)与相应波长下普朗克定律计算得到的光谱辐射强度E_b(λ_i，T_i)进行对比分析，得到光谱辐射强度的损失函数A(λ)，在3000K以上，损失函数A(λ)采用外推法处理；

(2)如图1所示，搭建实验装置系统。将光学镜头和光谱仪之间通过光纤连接，将光谱仪和计算机数据处理系统之间通过数据线连接。光学镜头应对准透明窗，保持同轴，以便光学镜头可以捕捉到燃气辐射的光谱。

(3)发动机点火，同时光谱仪开始采集燃气波长和光谱辐射强度数据。燃气辐射的光谱通过发动机透明窗、光学镜头以及光纤传递进入多波长光谱仪中，进行分光处理，光谱仪采集各个波长数据λ_i及其对应的光谱辐射强度数据E_a(λ_i，T_i)。

(4)数据处理，计算出发动机燃气温度。根据实际采集到的光谱辐射强度E_a(λ_i，Ｔ_i)，结合光谱辐射强度损失函数A(λ)，计算获取光谱辐射强度的补偿值E_c(λ_i，T_i)；根据所采集光谱波长λ_i和光谱辐射强度的补偿值E_c(λ_i，T_i)的一一对应关系，拟合出波长和光谱辐射强度的关系式E_c(λ，T)＝g(λ，T)；将关系式g(λ，T)所对应的实测关系曲线与不同温度下的普朗克曲线进行匹配，当两者吻合程度最高时，普朗克曲线所代表的温度即为火箭发动机燃气温度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种考虑多波长光谱辐射的火箭发动机燃气温度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建普朗克曲线数据库：根据普朗克定律，采用编程的方式，在200nm-2000nm的波长范围内，预先计算获得1000K-5000K范围内每一个温度点下波长与对应光谱辐射强度的普朗克曲线；

S2、多波长光谱仪的标定：考虑到光谱强度在数据采集、处理过程中的损失，在1000K-3000K温度范围内，采用黑体炉对多波长光谱仪进行标定，获得光谱辐射强度的损失函数，3000K以上，损失函数采用外推法处理，进而得到普朗克定律修正关系式；

S3、在200nm-2000nm的波长范围内，采集火箭发动机燃气辐射光谱中多个波长和相应的光谱辐射强度数据；

S4、根据标定的损失函数，计算获取光谱辐射强度的补偿值；

S5、根据燃气辐射光谱波长和对应的辐射强度补偿值，拟合实测光谱辐射强度公式，得到燃气辐射光谱波长与对应光谱辐射强度的实测关系曲线；

S6、基于最小二乘原理，将光谱波长与对应光谱辐射强度的实测关系曲线与不同温度下的普朗克曲线进行匹配，当曲线的吻合程度最高时，即认为实测温度为普朗克曲线所表征的温度。