CN106482790B - 基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置，包括光汇聚部、多个光谱测量部、点火装置、控制部及信号处理部；光汇聚部由多个位于同一直线的光汇聚器组成，光汇聚器与光谱测量部一一对应，且相对应的光汇聚器与光谱测量部之间通过光纤连接；控制部分别与、点火装置、信号处理部和多个光谱测量部电连接。基于该测量装置的测量方法通过拟合火焰辐射光谱信号获得温度与辐射率参数，可进一步提高光学辐射测量法测量精度，同时结合阵列排布方式还可同时获得燃速参数。这对推进剂燃烧测试来说，还具有多参数同时在线非接触式测量、无需对药条进行处理、易维护等优点。

Description

基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于固体火箭推进剂测试技术领域，具体涉及一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置和测量方法。

背景技术

固体火箭推进剂燃烧温度、辐射率及燃速参数是表征推进剂燃速性能的重要参数。

目前，推进剂燃烧温度测量主要利用热电偶测温，但随着高能推进剂的发展，推进剂燃烧温度已远远超过热电偶的测温范围，无法满足测量需求。另外，也有激光光谱主动式测量方法(如CARS技术)在固体推进剂燃烧诊断上探索尝试，但由于产生大量颗粒物引起的高温辐射与散射衰减等作用，以及高温高压恶劣环境对谱线的影响，激光光谱主动式法没有得到广泛应用。

现有测量装置和测量方法只能测量单个参数，无法实现多参数同时测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置和测量方法，以解决现有测量装置无法实现多参数测试的问题。

提供一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置，包括：光汇聚部，用来收集药条燃烧的火焰辐射光，由多个位于同一直线的光汇聚器组成；多个光谱测量部，用来分析药条燃烧火焰辐射光谱信息，与光汇聚器一一对应，且相对应的光汇聚器与光谱测量部之间通过光纤连接；以及信号处理部，用来采集多个火焰辐射光光谱信号并处理，获得推进剂燃烧温度、辐射率与燃速参数。

该测量装置的光谱测量部包括：准直器，与对应的光汇聚器通过光纤连接，对光纤传输过来的火焰辐射光进行准直；分光光栅，将经准直的火焰辐射光分束成波长不同的辐射光；多个光电探测器，接收每个特定波段的辐射光，并将辐射光信号转换成电信号；以及信号采集处理器，对接收到的电信号进行存储并处理。

该测量装置的多个光电探测器呈弧形排列。

该测量装置还包括点火线、点火电极及点火控制器，点火线连接点火电极并穿过药条一端，点火控制器与点火电极电连接。

该测量装置还包括：控制部，与点火控制器和多个光谱测量部电连接，用于控制点火时间和多个光谱测量部的测量时间，并使点火控制器和多个光谱测量部同步运行。

提供一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量方法，包括：步骤一、确定光汇聚器的数量及分光光栅和光电探测器的参数，并将光汇聚部布置于光学窗口外侧且与药条平行，获取两个光谱测量部的间距；步骤二、控制部发出点火指令，并触发光谱测量部；步骤三、多个光汇聚器接收火焰辐射光，并耦合至光纤；步骤四、每个光谱测量部获得对应测点的燃烧火焰辐射光谱，经光谱仪响应标定得到实际辐射强度随火焰辐射波长的变化情况，并记录多个光谱测量部获得辐射信号的时间差；步骤五、根据理论辐射强度和实际辐射强度计算得到辐射率与温度，根据间距和时间差计算得到推进剂燃速。

该方法步骤五中计算辐射率与温度的公式为：

其中，E_λ为理论辐射强度，ε(T)为辐射率，C₁、C₂为辐射常量，λ为波长，T为火焰温度，f(ε′)为最小二乘法拟合目标函数，ε′＝1/ε，y_i是实际测量辐射强度，k为常数。经迭代，f取最小值时，对应的ε为推进剂燃烧辐射率，T为推进剂燃烧温度。

该方法步骤五中推进剂燃速的计算公式为：

v＝L/Δt

其中，v为推进剂燃速，L为两个光谱测量部的间距，Δt为相距L的两个光谱测量部获得辐射信号的时间差。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)获得火焰辐射光谱信号，利用光谱拟合法火焰辐射光谱信号得到温度与辐射率参数，可进一步提供光学辐射法测量精度，同时结合阵列排布方式还可同时获得燃速参数，实现了在线非接触式多参数测量；

(2)对于推进剂燃烧测试来说，还具有多参数同时在线非接触式测量、无需对药条进行处理、易维护等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明测量装置的结构示意图。

图2为本发明测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置用来测试燃烧装置1中药条103的燃烧温度、辐射率与燃速，如图1所示，包括光汇聚部2、多个光谱测量部3、控制部4、信号处理部5及点火装置。

燃烧装置1为一密闭容器，该密闭容器内的压强可以调节，用来开展特定实验条件下的测试。燃烧装置1包括燃烧室101、光学窗口102及药条103，光学窗口102设置于燃烧室101一个侧面上，燃烧室101的顶部和底部上分别设置一个固定件104，药条103通过两个固定件104固定在燃烧室101中心处。

光汇聚部2，用来收集药条103燃烧的火焰辐射光109，由多个光汇聚器201组成，其数量可根据测试需要进行调整，并通过特殊固定件组成平行于药条103排布的线阵列，布置于燃烧装置1光学窗口102外侧。测试实验时，药条103燃烧产生的火焰辐射光109经光学窗口102后，由相应的光汇聚器201接收，并耦合至光纤202中。

光谱测量部3，用来分析药条103燃烧火焰辐射光谱信息，与光汇聚器201一一对应，且与对应的光汇聚器201之间通过光纤202连接。光谱测量部3包括准直器301、分光光栅302、多个接收不同波段光信号的光电探测器303及信号采集处理器307，准直器301与光汇聚器201通过光纤202连接，光电探测器303与信号采集处理器307电连接，多个光电探测器303呈弧形排列，其数量取决于光谱分析的精度。测试实验时，光汇聚部2接收到的火焰辐射光经光纤202传输至准直器301，通过准直器301准直后，辐射光304经分光光栅302分束成波长不同的辐射光305，每个特定波段的辐射光305由对应的光电探测器303接收，转换成电信号306由信号采集处理器307存储并处理。

点火装置包括点火线105、点火电极106及点火控制器108，点火线105连接点火电极106并穿过药条103下端，点火控制器108连接点火电极106。测试实验时，点火控制器108发出点火指令点燃点火线105，药条103下端开始燃烧直至燃尽。

控制部4，分别与点火控制器108和多个光谱测量部3电连接，用来控制点火装置的点火时间和多个光谱测量部3的测量时间，并使点火控制器和光谱测量部同步运行。

信号处理部5，与控制部4电连接，用来采集多个火焰辐射光光谱信号并处理，同时获得推进剂燃烧温度、辐射率与燃速多参数。

提供一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量方法，用于测试燃烧装置1中由固体火箭推进剂制成的药条103的燃烧参数，如图2所示，包括：

步骤一、确定光汇聚器201的数量及分光光栅302和光电探测器303的参数，并将光汇聚部2布置于光学窗口102外侧且与药条103平行，获取两个光谱测量部2的间距；

步骤二、控制部4发出点火指令，并触发光谱测量部2；

步骤三、多个光汇聚器201接收火焰辐射光，并耦合至光纤202；

步骤四、每个光谱测量部2获得对应测点的燃烧火焰辐射光谱，经光谱仪响应标定得到实际辐射强度随火焰辐射波长的变化情况，并记录多个光谱测量部2获得辐射信号的时间差；

步骤五、根据理论辐射强度和实际辐射强度计算得到辐射率与温度，根据间距和时间差计算得到推进剂燃速。

根据普朗克定律，火焰辐射波长λ(nm)与辐射强度E_λ(W/m2)的关系为：

将推进剂燃烧火焰辐射视为灰体辐射，将实验得到的光谱数据经标定后，利用最小二乘法结合普朗克定律，设定拟合目标函数：

式(1)与式(2)中，其中，E_λ为理论辐射强度，ε(T)为辐射率，C₁、C₂为辐射常量，λ为波长，T为火焰温度，f(ε′)为最小二乘法拟合目标函数，ε′＝1/ε，y_i是实际测量辐射强度，k为常数。

对式(2)进行迭代计算，当f取最小值时，对应的ε为推进剂燃烧辐射率，T为推进剂燃烧温度。

步骤五中推进剂燃速的计算公式为：

v＝L/Δt

其中，v为推进剂燃速，L为两个光谱测量部的间距，Δt为相距L的两个光谱测量部获得辐射信号的时间差。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量装置，其特征在于，包括：

光汇聚部，用来收集药条燃烧的火焰辐射光，由多个位于同一直线的光汇聚器组成；

多个光谱测量部，用来分析药条燃烧火焰辐射光谱信息，与光汇聚器一一对应，且相对应的光汇聚器与光谱测量部之间通过光纤连接；以及

信号处理部，用来采集多个火焰辐射光光谱信号并处理，获得推进剂燃烧温度、辐射率与燃速参数。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光谱测量部包括：

准直器，与对应的光汇聚器通过光纤连接，对光纤传输过来的火焰辐射光进行准直；

分光光栅，将经准直的火焰辐射光分束成波长不同的辐射光；

多个光电探测器，接收每个特定波段的辐射光，并将辐射光信号转换成电信号；以及

信号采集处理器，对接收到的电信号进行存储并处理。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，多个所述光电探测器呈弧形排列。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括点火线、点火电极及点火控制器，点火线连接点火电极并穿过药条一端，点火控制器与点火电极电连接。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，还包括：

控制部，与点火控制器和多个光谱测量部电连接，用于控制点火时间和多个光谱测量部的测量时间，并使点火控制器和多个光谱测量部同步运行。

6.一种基于火焰辐射的固体火箭推进剂燃烧测量方法，其特征在于，包括：

步骤一、确定光汇聚器的数量及分光光栅和光电探测器的参数，并将光汇聚部布置于光学窗口外侧且与药条平行，获取两个光谱测量部的间距；

步骤二、控制部发出点火指令，并触发光谱测量部；

步骤三、多个光汇聚器接收火焰辐射光，并耦合至光纤；

步骤四、每个光谱测量部获得对应测点的燃烧火焰辐射光谱，经光谱仪响应标定得到实际辐射强度随火焰辐射波长的变化情况，并记录多个光谱测量部获得辐射信号的时间差；

步骤五、根据理论辐射强度和实际辐射强度计算得到辐射率与温度，根据间距和时间差计算得到推进剂燃速。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤五中计算辐射率与温度的公式为：

其中，E_λ为理论辐射强度，ε(T)为辐射率，C₁、C₂为辐射常量，λ为波长，T为火焰温度，f(ε′)为最小二乘法拟合目标函数，ε′＝1/ε，y_i是实际测量辐射强度，k为常数；经迭代，f取最小值时，对应的ε为推进剂燃烧辐射率，T为推进剂燃烧温度。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤五中推进剂燃速的计算公式为：

v＝L/Δt

其中，v为推进剂燃速，L为两个光谱测量部的间距，Δt为相距L的两个光谱测量部获得辐射信号的时间差。