CN108169080A - 基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置和方法，包括用于模拟推进剂在固体火箭发动机燃烧室中燃烧的高压密封实验器和用于推进剂燃烧铝颗粒测量的数字全息系统；数字全息系统与压密封实验器垂直交叉设置，数字全息系统的平面相干光穿过高压密封实验器，进行推进剂燃烧铝颗粒的测量。该基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置用于固体火箭发动机推进剂高温、高压复杂燃烧流场的铝颗粒燃烧动态测量。
Description
技术领域
本发明属于固体推进剂铝燃烧测试技术领域，具体涉及基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置与方法。
背景技术
认识和掌握固体火箭发动机燃烧室中铝粒子的燃烧历程及其状态特性是控制和调节发动机性能以及安全性评估的前提，也是开展发动机流场数值模拟的重要参数。
对于发动机内的高温、高压、复杂多相的燃烧流场，准确捕获铝颗粒的燃烧历程是比较困难的，目前所能够使用的动态测量手段主要是高速成像技术。设计高压实验密封容器模拟发动机燃烧室内高压环境，将推进剂药条置于实验器中点燃。通过光学开窗的方式，对推进剂药条的整个燃烧过程进行拍摄，获得燃烧的动态过程。该方法在实际应用中具有较大缺陷，具体表现为：(1)远距离显微摄像时，存在景深过小的问题。对于运动的颗粒跟踪测量，很难保证颗粒始终处于成像平面，偏离焦面的燃烧颗粒无法清晰捕捉。(2) 燃烧火焰产生的辐射发光对于测量影响较大，很难分辨燃烧火焰区与凝相颗粒区，难以准确获得燃烧颗粒的真实粒径。
激光粒度仪可以获得颗粒的粒度分布谱，但是激光粒度仪只能获得整个测量空间内粒度分布随时间的变化，无法获得单个颗粒的粒径变化，同样无法获得颗粒的形貌及形貌变化。对于燃烧颗粒的测量显得能力不足。
随着对固体火箭发动机推进剂燃烧稳定性研究的不断深入，研究者们希望对铝颗粒动态燃烧行为有更为清晰的认识，从而建立准确的铝燃烧模型，为固体火箭发动机数值仿真计算及燃烧稳定性预估打下坚实的基础。因此，发展一种精细的固体推进剂铝燃烧动态测量装置是这些研究工作的前提和基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置，用于固体火箭发动机推进剂高温、高压复杂燃烧流场的铝颗粒燃烧动态测量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置，包括用于模拟推进剂在固体火箭发动机燃烧室中燃烧的高压密封实验器和用于推进剂燃烧铝颗粒测量的数字全息系统；数字全息系统与压密封实验器垂直交叉设置，数字全息系统的平面相干光穿过高压密封实验器，进行推进剂燃烧铝颗粒的测量。
进一步地，该高压密封实验器包括一高压密封容器，高压密封容器的一组相对的侧面上均开设有玻璃观察窗，且两个玻璃观察窗的位置相对应，用于平面相干光穿过；高压密封容器的底部竖直设置有用于夹持推进剂试件的夹持装置；高压密封容器上安装有用于监测其内部压力的压力传感器，压力传感器与数据采集系统相连接，数据采集系统还与第二计算机相连接；还包括用于点燃推进剂的点火装置；
高压密封实验器还包括高压气体输入装置，高压气体输入装置与高压密封实验器相连通，还包括排气系统，高压气体输入装置还与排气系统相连接。
进一步地，该高压气体输入装置包括管路连接的氮气源储存装置和稳压罐，氮气源储存装置和稳压罐间安装有进气电磁阀，进气电磁阀与电磁阀控制系统相连接，电磁阀控制系统与高压密封容器的排气口相连接。
进一步地，该数字全息系统包括在一条直线上依次设置的激光器、空间滤波器、衰减器、扩束透镜、4F系统、滤波片和高速相机，还包括与高速相机相连接的第一计算机；扩束透镜和4F系统间用于设置高压密封容器，且两个玻璃观察窗与扩束透镜和4F系统在同一直线上；激光器发出激光束，依次经空间滤波器、衰减器和扩束透镜，扩束成一束平行光，该平行光经玻璃观察窗，照射至推进剂燃烧场中，当平行光照射至铝燃烧颗粒上产生光散射，该散射光与直透光干涉形成全息图像，全息图像经过4F成像系统后，通过滤波片滤掉铝燃烧颗粒中的火焰发光，最后由高速相机采集图像，并传输至第一计算机。
本发明还公开了上述的基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置的测量方法，其特征在于，该方法如下：固体推进剂在高压密封容器内燃烧，产生的铝颗粒散布于其内空间中，同时伴随有燃烧火焰存在，采用平面相干光经由玻璃观察窗照射至燃烧状态的铝颗粒，部分平面相干光在颗粒的作用下发生散射，散射光与未被散射的直透光干涉形成全息图，经过4F 系统和滤波片后，全息图像由高速相机采集，并将图像输入至第一计算机，重建出铝颗粒的清晰图像。
本发明基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置与方法具有如下优点：可以开展固体推进剂在不同压强下的燃烧实验，同时配合数字全息系统实现推进剂中铝颗粒的动然燃烧过程的清晰捕捉，为固体火箭发动机推进剂铝燃烧的研究提供了一套完整的测量装置与方法。
附图说明
图1是本发明中基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置的结构示意图。
图2是本发明中固体推进剂全息测量典型实验图像；
图3是本发明中不同空间位置处的颗粒聚焦图像(上)及放大后图像 (下)；
图4是空间不同位置颗粒均在焦图像；
图5是压强1MPa下推进剂全息测量实验图像；
其中：1.高压密封实验器；1-1.高压密封容器；1-2.玻璃观察窗；1-3.压力传感器；1-4.数据采集系统；1-5.第二计算机；1-6.夹持装置；1-7.点火装置；1-8.氮气源储存装置；1-9.电磁阀控制系统；1-10.稳压罐；2.数字全息系统；2-1.激光器；2-2.空间滤波器；2-3.衰减器；2-4.扩束透镜； 2-5.4F系统；2-6.高速相机；2-7.第一计算机；2-8.滤波片。
具体实施方式
本发明基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置与方法，如图 1所示，包括用于模拟推进剂在固体火箭发动机燃烧室中燃烧的高压密封实验器1和用于推进剂燃烧铝颗粒测量的数字全息系统2；数字全息系统2与高压密封实验器1垂直交叉设置，数字全息系统2的平面相干光穿过高压密封实验器1，进行推进剂燃烧铝颗粒的测量。
高压密封实验器1包括一高压密封容器1-1，高压密封容器1-1的一组相对的侧面上均开设有玻璃观察窗1-2，且两个玻璃观察窗1-2的位置相对应，用于平面相干光穿过；高压密封容器1-1的底部竖直设置有用于夹持推进剂试件的夹持装置1-6；高压密封容器1-1上安装有用于监测其内部压力的压力传感器1-3，压力传感器1-3与数据采集系统1-4相连接，数据采集系统1-4还与第二计算机1-5相连接；还包括用于点燃推进剂的点火装置1-7。
高压密封实验器1还包括高压气体输入装置，高压气体输入装置与高压密封实验器1相连通，还包括排气系统，高压气体输入装置还与排气系统相连接。
高压气体输入装置包括管路连接的氮气源储存装置1-8和稳压罐1-10，氮气源储存装置1-8和稳压罐1-10间安装有进气电磁阀，进气电磁阀与电磁阀控制系统1-9相连接，电磁阀控制系统1-9与高压密封容器1-1的排气口相连接。
所采用的数字全息系统2包括在一条直线上依次设置的激光器2-1、空间滤波器2-2、衰减器2-3、扩束透镜2-4、4F系统2-5、滤波片2-8和高速相机2-6，还包括与高速相机2-6相连接的第一计算机2-7；扩束透镜2-4和 4F系统2-5间用于设置高压密封容器1-1，且两个玻璃观察窗1-2与扩束透镜2-4和4F系统2-5在同一直线上；激光器2-1发出激光束，依次经空间滤波器2-2、衰减器2-3和扩束透镜2-4，扩束成一束平行光，该平行光经玻璃观察窗1-2，照射至推进剂燃烧场中，当平行光照射至铝燃烧颗粒上产生光散射，该散射光与直透光干涉形成全息图像，全息图像经过4F成像系统后，通过滤波片2-8滤掉铝燃烧颗粒中的火焰发光，最后由高速相机2-6采集图像，并传输至第一计算机2-7。
本发明上述测量装置的测量方法，该方法如下：固体推进剂在高压密封容器1-1内燃烧，产生的铝颗粒散布于其内空间中，同时伴随有燃烧火焰存在，采用平面相干光经由玻璃观察窗1-2照射至燃烧状态的铝颗粒，部分平面相干光在颗粒的作用下发生散射，散射光与未被散射的直透光干涉形成全息图，经过4F系统2-5和滤波片2-8后，全息图像由高速相机2-6采集，并将图像输入至第一计算机2-7，重建出铝颗粒的清晰图像。
为验证本发明中基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置与方法的可行性，进行如下实验，在工作压强为0.1MPa、1MPa的条件下开展固体推进剂铝燃烧的全息测试。重建全息图像，获得铝颗粒的在焦图像。实验相关参数如下：
推进剂规格：5mm×5mm×5mm；
激光波长：532nm；
空间滤波器2-2参数：40x显微物镜、25um针孔；
扩束透镜2-4规格：直径焦距f＝200mm；
4F系统2-5参数：透镜1：直径焦距f＝200mm透镜2：直径焦距f＝400mm。放大倍数：2:1。
高速相机2-6像元尺寸：10um×10um。
具体过程如下；
步骤1：安装玻璃观察窗1-2，并进行透光、密封调试；
步骤2：安装推进剂燃烧试件于高压密封容器1-1内底面试件夹工装上，调节至观察窗1-2正中间位置处；
步骤3：打开激光器2-1，开展同轴数字全息测量系统光路调节，使光源、玻璃观察窗1-2和推进试件在同一轴向上；
步骤4：待调好全息光路后，将高压密封容器1-1紧固、密封；并保证压力稳定；
步骤5：关闭排气系统，开启高压气体输入装置，并充入高压氮气，通过数字采集系统2读取、控制压强稳定至设定值；
步骤6：待压强稳定后，关闭高压气体输入装置，并保持排气系统的电磁阀呈关闭状态，开启数字全息测试系统，点燃推进剂试件，记录全息图像，即可获得铝动态燃烧实验结果。
步骤7：推进剂燃烧完毕后，保持高压气体输入装置关闭，开启排气系统将实验器中的高压气体全部排出。
如图2所示，为固体推进剂在0.1MPa下的燃烧流场全息图像，此时4F 系统前焦面距离推进剂约60mm左右。从图2中可以清晰看到凝相颗粒及燃面处的条纹，通过数值重建可以获得全息图中铝颗粒及燃烧表面的清晰聚焦图像。
如图3所示，不同空间位置处的颗粒聚焦图像(上)及放大后图像(下)，由图3可知，颗粒及燃面轮廓十分清晰。
如图4所示，空间不同位置颗粒均在焦图像。同样的光路布置，开展1MPa 下推进剂铝燃烧的全息测试，获得实验图像如图5所示。从图5中可以看出，数字全息方法能够清晰的获得推进剂燃烧表面及离开燃面进入燃烧流场的铝颗粒图像，同时由于气相火焰区与凝相粒子区折射率不同，该方法可以清楚区分火焰与粒子。
通过0.1MPa、1MPa下推进剂全息测量结果可以看出，基于数字全息技术的固体推进剂铝燃烧动态测量系统，工作正常，参数设置合理，达到了预期实验效果。这说明，该方法用于固体推进剂铝燃烧动态测量上的应用是成功的。实验过程中，根据工作压强的要求，可以改变成像系统的放大倍率以满足不同粒径范围铝颗粒燃烧的清晰动态捕捉，同时保证测量精度。
Claims (5)
1.基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置，其特征在于，包括用于模拟推进剂在固体火箭发动机燃烧室中燃烧的高压密封实验器(1)和用于推进剂燃烧铝颗粒测量的数字全息系统(2)；所述数字全息系统(2)与压密封实验器(1)垂直交叉设置，所述数字全息系统(2)的平面相干光穿过高压密封实验器(1)，进行推进剂燃烧铝颗粒的测量。
2.根据权利要求1所述的基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置，其特征在于，所述高压密封实验器(1)包括一高压密封容器(1-1)，所述高压密封容器(1-1)的一组相对的侧面上均开设有玻璃观察窗(1-2)，且两个玻璃观察窗(1-2)的位置相对应，用于平面相干光穿过；所述高压密封容器(1-1)的底部竖直设置有用于夹持推进剂试件的夹持装置(1-6)；所述高压密封容器(1-1)上安装有用于监测其内部压力的压力传感器(1-3)，所述压力传感器(1-3)与数据采集系统(1-4)相连接，所述数据采集系统(1-4)还与第二计算机(1-5)相连接；还包括用于点燃推进剂的点火装置(1-7)；
所述高压密封实验器(1)还包括高压气体输入装置，所述高压气体输入装置与高压密封实验器(1)相连通，还包括排气系统，所述高压气体输入装置还与排气系统相连接。
3.根据权利要求2所述的基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置，其特征在于，所述高压气体输入装置包括管路连接的氮气源储存装置(1-8)和稳压罐(1-10)，所述氮气源储存装置(1-8)和稳压罐(1-10)间安装有进气电磁阀，所述进气电磁阀与电磁阀控制系统(1-9)相连接，所述电磁阀控制系统(1-9)与高压密封容器(1-1)的排气口相连接。
4.根据权利要求1所述的基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧测量装置，其特征在于，所述数字全息系统(2)包括在一条直线上依次设置的激光器(2-1)、空间滤波器(2-2)、衰减器(2-3)、扩束透镜(2-4)、4F系统(2-5)、滤波片(2-8)和高速相机(2-6)，还包括与高速相机(2-6)相连接的第一计算机(2-7)；所述扩束透镜(2-4)和4F系统(2-5)间用于设置高压密封容器(1-1)，且两个玻璃观察窗(1-2)与扩束透镜(2-4)和4F系统(2-5)在同一直线上；所述激光器(2-1)发出激光束，依次经空间滤波器(2-2)、衰减器(2-3)和扩束透镜(2-4)，扩束成一束平行光，该平行光经玻璃观察窗(1-2)，照射至推进剂燃烧场中，当平行光照射至铝燃烧颗粒上产生光散射，该散射光与直透光干涉形成全息图像，全息图像经过4F系统(2-5)后，通过滤波片(2-8)滤掉铝燃烧颗粒中的火焰发光，最后由高速相机(2-6)采集图像，并传输至第一计算机(2-7)。
5.如权利要求1-4中任一项所述的基于同轴数字全息法的固体推进剂铝燃烧，其特征在于，该方法如下：固体推进剂在高压密封容器(1-1)内燃烧，产生的铝颗粒散布于其内空间中，同时伴随有燃烧火焰存在，采用平面相干光经由玻璃观察窗(1-2)照射至燃烧状态的铝颗粒，部分平面相干光在颗粒的作用下发生散射，散射光与未被散射的直透光干涉形成全息图，经过4F系统(2-5)和滤波片(2-8)后，全息图像由高速相机(2-6)采集，并将图像输入至第一计算机(2-7)，重建出铝颗粒的清晰图像。
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