CN114965856B - 一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置及观察系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置及观察系统。解决了旋转过载条件下推进剂燃烧特性测试难题，所述图像采集装置包括燃烧室、两个导光反射镜、成像镜头和相机，导光反射镜与燃烧室固定在一起，导光反射镜固定在旋转过载装置的旋转轴上，两个导光反射镜表面平行，均为45°斜向放置，相机配长焦距镜头，垂直朝下放置与旋转轴上方，燃烧室随旋转臂旋转时，推进剂燃烧火焰会在离心力作用下沿径向向外伸展，通过视窗燃烧室进行观察，成像光线通过两个导光反射镜入射到相机中获取高分辨率的火焰图像。本发明适用于旋转过载条件下推进剂燃烧特性的测量及评价，对地空导弹、空空导弹、炮射导弹等研制具有重要的意义。

Description

一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置及观察 系统

技术领域

本发明涉及一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置及观察系统，适用于推进剂过载燃烧特性评价及表征技术领域。

背景技术

现代战争中武器系统的高精度、高速度、高突防能力成为使命成败的决定性因素。如高速地空反导导弹、空空导弹、炮射导弹等，在高加速、强机动飞行或急转弯过程中，会产生较大的飞行过载和横向过载(50g～100g)。过载环境将影响固体火箭发动机装药燃烧和内流场，导致推进剂燃速增加，使燃烧室压强升高、工作时间缩短，影响了装药燃烧产物的流动规律，进而影响发动机内弹道性能和导弹的外弹道性能；过载环境恶化了装药包覆层的烧蚀环境，严重时导致包覆层防护失效，发动机烧穿解体。据文献报道，国外曾发生过高过载影响推进剂装药正常工作而导致弹箭武器装备失效的诸多案例，在此背景下开展了大量的旋转过载下推进剂的配方设计、静态及过载条件下的内弹道性能试验、数值模拟等研究，以期深入了解旋转过载条件下推进剂的燃烧特性规律和机理。

旋转过载条件下改性双基推进剂燃烧火焰图像采集，及图像中火焰结构、火焰温度及燃烧速度是燃烧性能的主要表征参数，可用于评价和表征火箭发动机旋转过载燃烧特性，揭示燃烧机理，最终为炮射导弹用推进剂装药设计提供理论指导和技术支撑。目前尚无可靠方法对旋转过载条件下改性双基推进剂燃烧火焰的图像进行采集。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰采集装置。

为此，本发明提供的火焰采集装置包括旋转过载发生装置，所述旋转过载燃烧发生装置包括转轴和安装在转轴上的旋转盘或旋转臂，还包括燃烧室、相机、镜头、第一导光反射镜和第二导光反射镜；

所述燃烧室安装在旋转盘或旋转臂上，且燃烧室远离转轴，所述燃烧室顶部设有观察窗；

所述第一导光反射镜位于在观察窗上方，且第一导光反射镜相对于燃烧室固定安装，所述第一导光反射镜的镜面与观察窗所在平面呈45°，且第一导光反射镜的镜面同时朝向观察窗和转轴；

所述第二导光反射镜固定安装在转轴上，且第二导光反射镜的镜面与第一导管反射镜的镜面位于同一水平面，所述第二导光反射镜的镜面朝向第一导光反应镜的镜面且与第一导光反射镜的镜面平行；

所述相机和镜头位于第二导光反射镜镜面上方，且镜头对着第二导光反射镜的镜面；

所述转轴带动旋转盘或旋转臂上的燃烧室、第一导光反射镜和第二导光反射镜旋转，燃烧室中的火焰在第一导光反射镜上成像后，反射至第二导光反射镜上，相机和镜头采集第二导光反射镜上的图像获得旋转过载下推进剂燃烧火焰图像。

可选的，所述燃烧室内待测推进剂与与第一导光反射镜之间的距离、第一导光反射镜与第二导光反射镜之间的距离、第二导光反射镜与镜头之间的距离之和为1m。

可选的，所述燃烧室内待测推进剂与第一导光反射镜之间的距离为165mm，第一导光反射镜与第二导光反射镜之间的距离为695mm,第二导光反射镜与镜头之间的距离为160mm，镜头与相机成像传感器像面之间的距离为135mm，观察窗直径为85mm。

可选的，所述第一导光反射镜为矩形反射镜，所述第二导光反射镜为椭圆形反射镜。

进一步，所述旋转盘或旋转臂上安装有配重装置，该配重装置与燃烧室位于同一径向。

本发明还提供了一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰观察系统，相应的，所提供的火焰观察系统包括上述旋转过载条件下推进剂燃烧火焰采集装置和火焰图像显示分析系统，所述火焰图像显示分析系统对采集的图像进行分析获得推进剂燃烧火焰温度和燃烧速度。

进一步，所述图像采集装置采集的图像通过无线网络传输至图像分析显示系统。

本发明装置中的相机不需要随旋转臂、燃烧室一同旋转，一方面机械复杂度低、可在高帧频下连续采集图像；并且可避免高速照相机承受高加速度载荷，实现费用低廉，并且便于相机电源、信号的有线传输。解决了成像距离远的条件下燃烧火焰分辨率的问题，图像清晰，能满足科研人员需求。

本发明提供的旋转过载燃烧火焰精细观察系统，通过在旋转过载试验台上集成燃烧火焰精细观察系统，即可解决旋转过载条件下推进剂燃烧特性的测试表征，结构简单，易于操作，静态燃烧性能科研人员不需要经过专业培训，即可开展试验。适用于推进剂装药在加速度载荷条件下燃烧特性的测量及评价，对炮射导弹、复合增程炮弹等研制用固体推进剂配方及装药设计具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明旋转过载下推进剂燃烧火焰精细观察系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的基本物像比例关系图。

图3为本发明实施例的导光反射镜在光路中的位置示意图。

图4为采用本实施例的装置所采集的图像示例。

具体实施方式

除非有特殊说明，本文中的术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。

参见图1所示，本发明的旋转过载条件下推进剂燃烧火焰采集装置包括燃烧室1、第一导光反射镜21、第二导光反射镜22、镜头3、相机4、图像分析显示系统5和旋转过载发生装置6；

所述旋转过载发生装置包括转轴61和安装在转轴上并由转轴带动旋转的旋转台(如圆台)或旋转臂(如长杆臂)62，旋转台或旋转臂上固定安装有燃烧室1且燃烧室远离转轴(或离开转轴一定距离)，如燃烧室位于旋转台和旋转臂的边缘位置或接近边缘，转轴带动燃烧室旋转过程中，推进剂在燃烧室中燃烧，从而发生旋转过载下的推进剂燃烧，旋转过载转速n与过载a_n之间的对应关系为a_n＝4π²r·n²，r为转轴与燃烧室质心之间的距离；进一步的方案中，旋转台或旋转臂上还装配与燃烧室质量相当的配重装置7，该配重装置与燃烧室位于同一径向，且与燃烧室相对于转轴对称设置，以确保旋转过程稳定；

燃烧室顶部设有观察窗1，具体方案中，观察窗可设石英，第一导光反射镜21位于观察窗上方，且第一导管反射镜相对于燃烧室固定安装随之一起旋转，如可固定安装在燃烧室上，第二导光反射镜22固定在旋转过载装置的旋转轴上，第一导光反射镜21与第二导光反射镜22镜面相对且平行，均为与旋转盘平面成45°斜向放置，相机4与成像镜头3配合置于旋转轴上方，成像镜头选用长焦距镜头，镜头垂直朝下对这第二导光反射镜镜面；为了使相机及后续存储、控制设备不承受旋转过载加速度，将其布置于转轴正上方，成像通过两个导光反射镜入射到相机中；相机配长焦距镜头，垂直朝下放置与旋转轴上方。

当燃烧室1随旋转臂旋转时，推进剂燃烧火焰会在离心力作用下沿径向向外伸展，通过视窗燃烧室1进行观察，成像光线通过第一导光反射镜21与第二导光反射镜22入射到成像镜头3与相机4中采集到火焰图像。

进一步的方案中，可将采集到的图像传输给图像分析显示系统5，对火焰燃烧温度、推进剂燃烧速度计算。更进一步，所述相机4带有无线网桥通讯功能，拍摄的图像可通过无线网络传输至图像分析显示系统5。

本发明装置的使用操作步骤如下：

1)制备推进剂药条试样，并将药条试样装入燃烧室中；

2)首先保持旋转过载试验台静止，开展点火操作，根据图像曝光亮度调整镜头、对焦等操作；

3)设置相机的前触发拍摄时间、拍摄分辨率及拍摄帧频等触发模式参数，进入外触发待命状态；

4)按设计旋转过载数值启动电机转动，当旋转过载试验台转速稳定且满足要求后，开启点火按钮，推进剂开始点火燃烧，完成预设时长的拍摄工作，拍摄的图像传输至图像分析显示系统5；

5)待试验完成及旋转过载试验台完全停止后，通过图像分析显示系统5采用现有相关方法(如CN103617635A或和文献“基于图像处理的膏体推进剂火焰测温”中公开的相关方法)对图像进行分析处理，获得火焰燃烧温度、推进剂燃烧速度等。

优选方案中，考虑到安装和受力需求，并对矩形和椭圆形透镜进行结构受力分析，所述第一导光反射镜21为矩形射镜；第二导光反射镜22为椭圆反射镜。

实施例:

该实施例的旋转过载试验装置的旋转臂半径726mm，燃烧室上观察窗的尺寸为Φ85mm，成像物距L设计约为1m(L≈1m)；以r取0.726m为例，推进剂药条过载值与旋转过载发生装置转速的对应如表1所示；

表1

相机为IDT公司的高速相机，该相机分辨率为3840×2400，相机传感器尺寸为21.1×11.2mm(w＝11.2mm)，全分辨率最高帧速1000fps，若将图像数据记录到相机内置存储器(内存与SSD)，可连续存储3090幅图像；若工作于连续输出模式下，将图像实时传输到外部存储系统，全分辨率最高帧速为90fps；

成像视场大小由物方分辨率需求和物距决定，并需要匹配合适的商业化镜头来实现，物像比例关系参见图2和式(1)所示，物距越远，物方视场越小，就决定了焦距f(f≈像距l)越长：

根据公式(1)所示关系，同时综合曝光时间、成像分辨率的考虑，以及对市场上现有工业成像镜头的调研，该实施例选取了蔡司公司的Interlock2/135型号的工业相机镜头，该镜头焦距为135mm，最小工作距离800mm，最大光圈f/2；

按照选定的相机和镜头，在1m的成像距离上，物方视场大小为156.23mm×82.80mm(W＝82.80)，物方分辨率34.5μm；

导光反射镜对成像光路没有倍率变换影响，可将光路展开分析，如图3所示，基于所选相机及镜头，该实施例的第一导光反射镜1中心点与燃烧室内待测推进剂药条之间的距离设计为165mm，第一导光反射镜与第二导光反射镜之间的距离为695mm,第二导光反射镜2中心点与镜头3中心点距离设计为160mm，其中165mm+160mm+695mm≈1m，成像镜头3中心点与相机传感器像面的距离为135mm。

该实施例的装置可实现旋转过载下推进剂燃烧火焰的连续采集，图4为采用本实施例的装置所采集的图像示例。

对比例：

上述光路设计选择为本发明的一种优选示例，发明人在研发过程中还尝试过其他失败的设计思路：将高速相机架设在靠近旋转过载试验台边缘附近，旋转过载试验台旋转过程中，高速相机保持不动，每次燃烧室转过相机视场时，捕捉拍摄改性双基推进剂燃烧火焰照片，由于线速度较大，火焰照片模糊拖影，并且由于每次划过视场的时间有限，因此照片张数有限，拍摄不到火焰燃烧的连续过程。

进一步发明人增加改性双基推进剂药条长度以获得连续燃烧图像，但药条长度增加会造成视窗燃烧室压强难以控制，并且药条长度增加对视窗燃烧室的耐压程度要求增加。

以上所述的描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步解释说明，所应理解的是，以上所述并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置，包括旋转过载发生装置（6），所述旋转过载燃烧发生装置包括转轴（61）和安装在转轴上的旋转盘或旋转臂（62），其特征在于：还包括燃烧室（63）、相机（4）、镜头（3）、第一导光反射镜（21）和第二导光反射镜（22）；

所述燃烧室安装在旋转盘或旋转臂上，且燃烧室远离转轴，所述燃烧室顶部设有观察窗（1）；

所述第一导光反射镜位于在观察窗上方，且第一导光反射镜相对于燃烧室固定安装，所述第一导光反射镜的镜面与观察窗所在平面呈45°，且第一导光反射镜的镜面同时朝向观察窗和转轴；

所述第二导光反射镜固定安装在转轴上，且第二导光反射镜的镜面与第一导管反射镜的镜面位于同一水平面，所述第二导光反射镜的镜面朝向第一导光反应镜的镜面且与第一导光反射镜的镜面平行；

所述相机和镜头位于第二导光反射镜镜面上方，且镜头对着第二导光反射镜的镜面；

所述转轴带动旋转盘或旋转臂上的燃烧室、第一导光反射镜和第二导光反射镜旋转，燃烧室中的火焰在第一导光反射镜上成像后，反射至第二导光反射镜上，相机和镜头采集第二导光反射镜上的图像获得旋转过载下推进剂燃烧火焰图像；

所述第一导光反射镜为矩形反射镜，所述第二导光反射镜为椭圆形反射镜。

2.如权利要求1所述的旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置，其特征在于，所述燃烧室内待测推进剂与与第一导光反射镜之间的距离、第一导光反射镜与第二导光反射镜之间的距离、第二导光反射镜与镜头之间的距离之和为1m。

3.如权利要求1所述的旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置，其特征在于，所述燃烧室内待测推进剂与第一导光反射镜之间的距离为165mm，第一导光反射镜与第二导光反射镜之间的距离为695mm,第二导光反射镜与镜头之间的距离为160mm，镜头与相机成像传感器像面之间的距离为135mm，观察窗直径为85mm。

4.如权利要求1所述的旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置，其特征在于，所述旋转盘或旋转臂上安装有配重装置（7），该配重装置与燃烧室位于同一径向。

5.一种旋转过载条件下推进剂燃烧火焰观察系统，其特征在于，包括权利要求1所述的旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置和火焰图像显示分析系统（5），所述火焰图像显示分析系统对采集的图像进行分析获得推进剂燃烧火焰温度和燃烧速度。

6.如权利要求5所述的旋转过载条件下推进剂燃烧火焰观察系统，其特征在于，旋转过载条件下推进剂燃烧火焰图像采集装置采集的图像通过无线网络传输至火焰图像显示分析系统。