CN114088662B - 一种固体推进剂燃烧特性测量及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体推进剂燃烧特性测量装置及方法，其中，该方法包括：高压燃烧室，具有封闭腔室并且其侧壁上设有彼此相对的蓝宝石视窗，高压燃烧室内安装有固体推进剂药柱和点火器；药柱应变发生装置，用于对药柱施加交变应力；高速相机，对准视窗并可由固体推进剂燃烧产生的强光触发拍摄；LAS测量系统；以及计算机，用于处理高速相机拍摄的照片和LAS测量系统的LAS信号，以实现同步对固体推进剂的燃烧温度、燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量。

Description

一种固体推进剂燃烧特性测量及方法

技术领域

本发明属于固定推进剂燃烧测试技术领域，具体涉及一种固体推进剂燃烧特性测量及方法。

背景技术

固体推进剂燃烧是固体火箭发动机的主要动力来源。火箭发动机燃烧通常造成高压强，而火箭飞行过程中产生的机械振动也会传导到推进剂本身，因而实际工况固体推进剂燃烧通常在高压强、变应力的条件下进行。长期以来，针对固体推进剂燃烧的实验研究主要集中在对燃速的测量，而对火焰温度、主要燃烧组分浓度的测量研究则相对较少，其主要原因在于推进燃烧过程剧烈，尤其在压强和应力振荡条件下，温度及浓度变化瞬态，测量难度较大。另一方面，固体推进剂燃烧温度、燃速等信息是衡量推进剂燃烧效率和发动机推力的重要指标，结合主要组分浓度等参数还可以为固体推进剂燃烧的理论模型提供重要参考。

目前，对固体推进剂燃速的测量方法主要包括靶线法、声发射法等；对燃烧温度的测量方法一般基于热电偶测温和热辐射方法；而对主要燃烧组分浓度的测量则一般采用采样法。然而，现有测量装置和测量方法只能对上述单一物理量或最多两个物理量开展同步测量，且大部分方法都是针对燃速测量展开。另一方面，热电偶测温和热辐射测温方法无法测量高速变化的推进剂燃烧温度，采样法则无法实现对燃烧产物浓度的实时原位测量。

另一方面，基于激光吸收光谱以及高速摄像对固体推进剂燃烧特性的研究方法目前主要是在固定密闭压力容器中进行。从目前检索的技术资料中，尚未见有关在应力振荡条件下，针对燃速、温度以及主要燃烧组分(如 CO2，CO)浓度的测量工作被公开报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体推进剂燃烧特性测量及方法，以解决上述问题。为此，本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种固体推进剂燃烧特性测量装置，其可包括：

高压燃烧室，所述高压燃烧室具有封闭腔室并且其侧壁上设有彼此相对的蓝宝石视窗，并且所述高压燃烧室内安装有固体推进剂药柱和点火器，所述点火器用于点燃所述固体推进剂药柱；

药柱应变发生装置，所述药柱应变发生装置用于对所述固体推进剂药柱施加交变应力；

高速相机，所述高速相机安装成对准所述视窗并可由固体推进剂燃烧产生的强光触发拍摄；

LAS测量系统，所述LAS测量系统包括激光发射装置和激光采集装置，所述激光发射装置和激光采集装置分别安装在所述高压燃烧室的两端，使得所述激光发射装置发射的激光依次经过一个所述视窗、所述封闭腔室和另一个所述视窗后被所述激光采集装置接收采集后形成LAS信号；以及

计算机，所述计算机与所述高速相机、激光发射装置和激光采集装置电连接，用于处理所述高速相机拍摄的照片和所述LAS信号，以实现同步对固体推进剂的燃烧温度、燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量。

在较佳实施例中，所述激光发射装置包括CO2激光器、CO激光器、反射镜和二向色合束镜，所述CO2激光器和所述CO激光器发射的激光通过所述反射镜和二向色合束镜形成一束激光，其中，所述CO2激光器发射中心波长为 4.17um的激光束，所述CO激光器发射中心波长为4.57um的激光束。

在较佳实施例中，所述激光采集装置包括二向色分束镜、4.17um滤光片、 4.57um滤光片、CO2中红外探测器和CO中红外探测器，所述二向色分束镜将经过火焰吸收后的激光束分成两束激光束，两束激光分别经过4.17um滤光片和4.57um滤光片被所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器接收，所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器将采集到的LAS信号数据发送至计算机。

在较佳实施例中，所述激光采集装置还包括聚光镜，所述聚光镜能够将激光束聚焦在探测器所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器的中心。

在较佳实施例中，所述固体推进剂药柱呈工字型，两边分别被药柱固定座和所述药柱应变发生装置夹持，所述药柱固定座固定于所述高压燃烧室的内壁上。

在较佳实施例中，所述高速相机和所述激光发射装置固定于一可调节式台架上并且其光路错开。

在较佳实施例中，所述点火器包括两根竖直铜柱和连接在两根所述铜柱的底部的加热丝，所述铜柱的底部正好与所述固体推进剂药柱齐平，使得所述加热丝正好抵触于所述固体推进剂药柱的上侧。

在较佳实施例中，所述激光发射装置发射的激光光路处于加热丝垂直上方，使得所述固体推进剂药柱点燃时激光光路正好穿过火焰。

在较佳实施例中，所述激光采集装置固定在另一可调节式台架上，并且高压燃烧室固定在燃烧室台架上，所述燃烧室台架与所述可调节式台架间隔开。

根据本发明的另一方面，提供了一种固体推进剂燃烧特性测量方法，其可包括以下步骤：

步骤一、提供如上所述的固体推进剂燃烧特性测量装置；

步骤二、调试LAS测量系统的LAS光路并且采集数据，获得吸收光谱背景信号；

步骤三、调试高速相机视场，调整高速相机的三脚架高度，使高速相机镜头高度与高压燃烧室的视窗齐平，以及调节镜头位置与镜头焦距，使高速相机视场完全包含高压燃烧室的视窗，并且焦距位于固体推进剂药柱位置；

步骤四、对高压燃烧室进行加压，对药柱施加交变应力；

步骤五、发出点火指令，点火器开始工作，利用固定推进剂燃烧产生的高光强使高速相机产生触发信号，触发信号同步LAS测量系统开始采集数据；

步骤六、将激光发射装置的激光器的驱动电流设置到出光阈值，重复步骤四和步骤五，并记录背景辐射信号；

步骤七、在除去背景辐射信号后，比对LAS系统在推进剂点火前后测量得到的LAS信号，获得CO2以及CO的吸收光谱信息，并分析计算得到火焰温度、CO2以及CO组分浓度；同时根据高速相机拍摄的燃面照片，计算燃速。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用LAS方法获得火焰吸收光谱信号，利用吸收光谱中的峰面积比计算温度，吸收信号强度计算组分浓度，且可以达到10kHz的测量频率，实现了在线非接触高时间分辨测量。

2、利用高速摄像获得推进剂燃面变化过程，计算推进剂燃速，测量精度高，且可与LAS测温实现同步。

3、可提供高压和变应力工况，推进剂燃烧环境接近真实应用条件。

附图说明

图1是固体推进剂测量装置的俯视图

图2是固体推进剂测量装置的正视图

图3是点火器与激光详细示意图

附图标记列表：

1、燃烧室；2、视窗；3、视窗法兰；4、固体推进剂药柱；5、高速相机视场光路；6、高速相机；7、CO激光器；8、CO2激光器；9、激光束；10、 CO2探测器；11、CO探测器；12、反射镜；13、二向色分束镜；14、聚光镜； 15、4.57um滤光片；16、4.17um滤光片；17、二向色合束镜；18、点火器； 181、铜柱；182、加热丝；19、药柱固定座；20、药柱应变发生装置；21、可调节式台架；22、燃烧室台架。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

如图1和2所示，一种固体推进剂燃烧特性测量装置可包括高压燃烧室1、药柱应变发生装置20、高速相机6、LAS测量系统和计算机(未示出)等。其中，高压燃烧室1具有封闭腔室，可以施加高压，以模拟真实场景。高压燃烧室1的侧壁上设有彼此相对的两个视窗2。视窗2可由蓝宝石制成，能够减少中红外激光的损失。视窗2可以通过视窗法兰3固定安装在高压燃烧室1的侧壁上。高压燃烧室1内安装有固体推进剂药柱4和点火器18，所述点火器18用于点燃固体推进剂药柱4。固体推进剂药柱4呈工字型，两端分别由药柱固定座19和药柱应变发生装置20夹持。药柱固定座19固定(例如，通过焊接或螺钉)于高压燃烧室1的内壁。药柱应变发生装置20用于对固体推进剂药柱4施加交变应力，以模拟真实场景。药柱应变发生装置20可在轴向进行反复运动，由凸轮进行驱动，最高可达到250Hz与10％应变程度。药柱应变发生装置20的具体结构参见公开号为CN113075352A的中国发明专利申请，这里不再描述。

高速相机6安装成对准视窗2(例如，右侧视窗)并可由固体推进剂燃烧产生的强光触发拍摄。高速相机6的拍摄频率可达到10kfps。高速相机6固定在可调节式台架21上，可通过旋钮对其高度进行调节，使高速相机6的视场包含整个固体推进剂药柱4，以拍摄固体推进剂的燃面。在一个具体实施例中，高速相机6的视场可以是30mm*30mm。高速相机6拍摄的燃面照片通过专用线缆传送至计算机，计算机对燃面照片进行处理，得到固定推进剂的燃烧速度。

LAS测量系统包括激光发射装置和激光采集装置，所述激光发射装置和激光采集装置分别安装在高压燃烧室1的两端，使得所述激光装置发射的激光依次经过一个视窗、封闭腔室和另一个视窗后被所述激光采集装置接收采集后形成LAS信号。计算机对LAS信号进行处理，得到火焰温度、CO2以及CO组分浓度。

具体地，所述激光发射装置可包括CO激光器7、CO2激光器8、反射镜 12和二向色合束镜17。CO激光器7可以产生中心波长为4.57um的激光束。 CO2激光器8可以产生中心波长为4.17um的激光束。反射镜12表面涂有金介质膜，能高效反射中红外激光束。二向色合束镜17能透过4.17um激光和反射 4.57um激光，将CO2激光器7和CO激光器8两束激光合为一束激光。所述激光采集装置可包括二向色分束镜13、聚光镜14、4.57um滤波片15、4.17um 滤波片16、CO2中红外探测器10和CO中红外探测器11。CO2中红外探测器10可以接收中心波长为4.57um的激光束。CO中红外探测器11可以接收中心波长为4.17um的激光束。二向色分束镜13能透过4.17um激光，反射4.57um 激光，将一束激光分为两路。聚光镜14能够将激光束聚焦在CO2中红外探测器10和CO中红外探测器11的中心，可以减小因推进剂剧烈燃烧造成的气体密度波动从而引发的激光光路漂移。4.57um滤光片15能够过滤掉中心波长为 4.57um，带宽为70nm以外的光信号。4.17um滤光片16能够过滤掉中心波长为4.17um，带宽为70nm以外的光信号。CO2激光器7和CO激光器8在高压燃烧室1外产生激光，分别通过反射镜12和二向色合束镜17，合成同轴激光束9；激光束9通过固体推进剂药柱4上侧的固体推进剂燃烧释放出的CO和 CO2后，通过二向色分束镜13后经过聚光镜14并透过4.17um滤波片16被 CO2中红外探测器10，通过4.57um滤波片15被CO中红外探测器11接收。

在本实施例中，高速相机6和激光发射装置固定于一个可调节式台架21 上。高速相机6的拍照视场直对整个固体推进剂药柱4，LAS光路(即，激光束9)不垂直入射蓝宝石视窗2，避免多次反射对信号探测造成干扰，即高速相机6的光路与LAS光路错开。激光采集装置固定在另一个可调节式台架21。燃烧室固定在燃烧室台架22。燃烧室台架22与可调节式台架21间隔开以保证在燃烧室台架22发生的震动和电流不传输至激光器(CO2激光器7和CO激光器8)、探测器(CO2中红外探测器10和CO中红外探测器11)与高速相机6。

如图2和3所示，点火器18为电加热丝加热点火器，可包括两根竖直铜柱181和连接在两根铜柱181的底部的加热丝182，其中，铜柱181的底部正好与固体推进剂药柱4齐平，使得加热丝182正好抵触于固体推进剂药柱4的上侧。铜柱181接点火电源，当点火命令下达后，加热丝182通电发热，点燃固体推进剂药柱4。在这种情况下，激光发射装置发射的激光光路(即，激光束9)处于加热丝182垂直上方，使得固体推进剂药柱4点燃时激光光路正好穿过火焰。这样，被燃烧产生的CO2和CO吸收后的激光被激光采集装置接收采集后形成吸收光谱信号。

本固体推进剂燃烧特性测量装置相对于现有技术而言，通过施加高压和交变应变，可以接近固体推进剂的真实应用条件，通过激光吸收光谱方法能够测量出固体推进剂的燃烧温度和燃烧产物，以及通过高速相机拍摄固体推进剂药柱燃烧情况，能够测量出固体推进剂的燃烧速度，从而实现对固体推进剂燃烧特性进行分析研究。

实施例2

本实施例公开了一种基于上述固体推进剂燃烧特性测量装置的固体推进剂燃烧特性测量方法，该方法可包括以下步骤：

步骤一、提供如上所述的固体推进剂燃烧特性测量装置；

步骤二、调试LAS测量系统的LAS光路并且采集数据，获得吸收光谱背景信号，具体地，CO₂激光器和CO激光器产生激光束通过合束镜合并成为一束激光，激光穿过视窗，经过药柱正上方，经过分束镜分束，再经过反射镜和聚焦镜，最后经过滤波后分别被CO₂探测器和CO探测器接收；通过LAS测量系统采集数据，获得吸收光谱背景信号；

步骤三、调试高速相机视场，具体地，调整高速相机高度，使高速相机镜头高度与燃烧室视窗齐平，调节镜头位置与镜头焦距，使高速相机视场完全包含高压燃烧室的视窗，并且焦距位于在固体推进剂药柱位置；

步骤四、对高压燃烧室进行加压，以及对药柱施加交变应力，以模拟固定推进剂的真实应用场景；

步骤五、发出点火指令，电热丝开始加热，点燃固体推进剂药柱；利用推进剂燃烧产生的高光强使高速相机产生触发信号，触发信号同步LAS 测量系统和高速相机系统开始采集数据；

步骤六、将CO2激光器和CO激光器的驱动电流设置到出光阈值，重复步骤四和步骤五，并记录背景辐射信号；

步骤七、在除去背景辐射信号后，比对LAS系统在推进剂点火前后测量得到LAS信号，获得CO₂以及CO吸收光谱信息，并分析得到火焰温度、 CO₂以及CO组分浓度；同时根据高速相机拍摄的燃面照片，计算燃速。

其中，LAS测温方法中温度的计算公式为：

其中，T为推进剂火焰温度，h为普朗克常量，c为光速，k_B为玻尔兹曼常量，R_A为LAS测量得到两个吸收峰峰面积比值，E₂″和E₁″对应两个吸收峰的基态能级能量，S₂和S₁对应两个吸收峰的谱线强度，T₀＝296K为参考温度。

LAS测量浓度方法中浓度的计算公式为：

其中，I₀和I_t为激光探测器测量得到的背景吸收信号和推进剂火焰中的信号，P为压强，X为浓度，为光谱线型函数，L为吸收光程，对上述公式进行求解即可以获得组分浓度信息。

高速摄像测速方法中的燃速的计算公式为：

其中，ΔL为高速摄像提取出每一帧照片对应药柱燃面的移动距离，Δt为照片拍摄时序间隔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用LAS方法获得火焰吸收光谱信号，利用吸收光谱中的峰面积比计算温度，吸收信号强度计算组分浓度，且可以达到10kHz的测量频率，实现了在线非接触高时间分辨测量；

2、利用高速摄像方法获得推进剂燃面变化过程，计算推进剂燃速，测量精度高，且可与LAS测温实现同步；

3、可提供高压和变应力工况，使推进剂燃烧环境接近真实应用条件。

以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，包括：

高压燃烧室，所述高压燃烧室具有封闭腔室并且其侧壁上设有彼此相对的蓝宝石视窗，并且所述高压燃烧室内安装有固体推进剂药柱和点火器，所述点火器用于点燃所述固体推进剂药柱；

药柱应变发生装置，所述药柱应变发生装置用于对所述固体推进剂药柱施加交变应力；

高速相机，所述高速相机安装成对准所述视窗并可由固体推进剂燃烧产生的强光触发拍摄；

LAS测量系统，所述LAS测量系统包括激光发射装置和激光采集装置，所述激光发射装置和激光采集装置分别安装在所述高压燃烧室的两端，使得所述激光发射装置发射的激光依次经过一个所述视窗、所述封闭腔室和另一个所述视窗后被所述激光采集装置接收采集后形成LAS信号；以及

计算机，所述计算机与所述高速相机、激光发射装置和激光采集装置电连接，用于处理所述高速相机拍摄的照片和所述LAS信号，以实现在应力振荡条件下同步对固体推进剂的燃烧温度、燃烧速度以及CO2和CO的浓度进行测量；

其中，所述激光发射装置包括CO2激光器、CO激光器、反射镜和二向色合束镜，所述CO2激光器和所述CO激光器发射的激光通过所述反射镜和二向色合束镜形成一束激光，其中，所述CO2激光器发射中心波长为4.17um的激光束，所述CO激光器发射中心波长为4.57um的激光束；

其中，所述激光采集装置包括二向色分束镜、4.17um滤光片、4.57um滤光片、CO2中红外探测器和CO中红外探测器，所述二向色分束镜将经过火焰吸收后的激光束分成两束激光束，两束激光分别经过4.17um滤光片和4.57um滤光片被所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器接收，所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器将采集到的LAS信号数据发送至计算机；

其中，所述激光采集装置还包括聚光镜，所述聚光镜能够将激光束聚焦在所述CO2中红外探测器和所述CO中红外探测器的中心。

2.如权利要求1所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述固体推进剂药柱呈工字型，两边分别被药柱固定座和所述药柱应变发生装置夹持，所述药柱固定座固定于所述高压燃烧室的内壁上。

3.如权利要求1所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述高速相机和所述激光发射装置固定于一可调节式台架上并且其光路错开。

4.如权利要求3所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述点火器包括两根竖直铜柱和连接在两根所述铜柱的底部的加热丝，所述铜柱的底部正好与所述固体推进剂药柱齐平，使得所述加热丝正好抵触于所述固体推进剂药柱的上侧。

5.如权利要求4所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述激光发射装置发射的激光光路处于加热丝垂直上方，使得所述固体推进剂药柱点燃时激光光路正好穿过火焰。

6.如权利要求3所述的固体推进剂燃烧特性测量装置，其特征在于，所述激光采集装置固定在另一可调节式台架上，并且高压燃烧室固定在燃烧室台架上，所述燃烧室台架与所述可调节式台架间隔开。

7.一种固体推进剂燃烧特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、提供如权利要求1-6中任一项所述的固体推进剂燃烧特性测量装置；

步骤二、调试LAS测量系统的LAS光路并且采集数据，获得吸收光谱背景信号；

步骤三、调试高速相机视场，调整高速相机的三脚架高度，使高速相机镜头高度与高压燃烧室的视窗齐平，以及调节镜头位置与镜头焦距，使高速相机视场完全包含高压燃烧室的视窗，并且焦距位于固体推进剂药柱位置；

步骤四、对高压燃烧室进行加压，对药柱施加交变应力；

步骤五、发出点火指令，点火器开始工作，利用固定推进剂燃烧产生的高光强使高速相机产生触发信号，触发信号同步LAS测量系统开始采集数据；

步骤六、将激光发射装置的激光器的驱动电流设置到出光阈值，重复步骤四和步骤五，并记录背景辐射信号；

步骤七、在除去背景辐射信号后，比对LAS系统在推进剂点火前后测量得到的LAS信号，获得CO2以及CO的吸收光谱信息，并分析计算得到火焰温度、CO2以及CO组分浓度；同时根据高速相机拍摄的燃面照片，计算燃速。