基於火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置和測量方法與流程
2023-06-12 16:46:36 3
本發明屬於固體火箭推進劑測試技術領域，具體涉及一種基於火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置和測量方法。
背景技術：
固體火箭推進劑燃燒溫度、輻射率及燃速參數是表徵推進劑燃速性能的重要參數。
目前，推進劑燃燒溫度測量主要利用熱電偶測溫，但隨著高能推進劑的發展，推進劑燃燒溫度已遠遠超過熱電偶的測溫範圍，無法滿足測量需求。另外，也有雷射光譜主動式測量方法(如CARS技術)在固體推進劑燃燒診斷上探索嘗試，但由於產生大量顆粒物引起的高溫輻射與散射衰減等作用，以及高溫高壓惡劣環境對譜線的影響，雷射光譜主動式法沒有得到廣泛應用。
現有測量裝置和測量方法只能測量單個參數，無法實現多參數同時測量。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置和測量方法，以解決現有測量裝置無法實現多參數測試的問題。
提供一種基於火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置，包括：光匯聚部，用來收集藥條燃燒的火焰輻射光，由多個位於同一直線的光匯聚器組成；多個光譜測量部，用來分析藥條燃燒火焰輻射光譜信息，與光匯聚器一一對應，且相對應的光匯聚器與光譜測量部之間通過光纖連接；以及信號處理部，用來採集多個火焰輻射光光譜信號並處理，獲得推進劑燃燒溫度、輻射率與燃速參數。
該測量裝置的光譜測量部包括：準直器，與對應的光匯聚器通過光纖連接，對光纖傳輸過來的火焰輻射光進行準直；分光光柵，將經準直的火焰輻射光分束成波長不同的輻射光；多個光電探測器，接收每個特定波段的輻射光，並將輻射光信號轉換成電信號；以及信號採集處理器，對接收到的電信號進行存儲並處理。
該測量裝置的多個光電探測器呈弧形排列。
該測量裝置還包括點火線、點火電極及點火控制器，點火線連接點火電極並穿過藥條一端，點火控制器與點火電極電連接。
該測量裝置還包括：控制部，與點火控制器和多個光譜測量部電連接，用於控制點火時間和多個光譜測量部的測量時間，並使點火控制器和多個光譜測量部同步運行。
提供一種基於火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量方法，包括：步驟一、確定光匯聚器的數量及分光光柵和光電探測器的參數，並將光匯聚部布置於光學窗口外側且與藥條平行，獲取兩個光譜測量部的間距；步驟二、控制部發出點火指令，並觸發光譜測量部；步驟三、多個光匯聚器接收火焰輻射光，並耦合至光纖；步驟四、每個光譜測量部獲得對應測點的燃燒火焰輻射光譜，經光譜儀響應標定得到實際輻射強度隨火焰輻射波長的變化情況，並記錄多個光譜測量部獲得輻射信號的時間差；步驟五、根據理論輻射強度和實際輻射強度計算得到輻射率與溫度，根據間距和時間差計算得到推進劑燃速。
該方法步驟五中計算輻射率與溫度的公式為：
其中，Eλ為理論輻射強度，ε(T)為輻射率，C1、C2為輻射常量，λ為波長，T為火焰溫度，f(ε′)為最小二乘法擬合目標函數，ε′＝1/ε，yi是實際測量輻射強度，k為常數。經迭代，f取最小值時，對應的ε為推進劑燃燒輻射率，T為推進劑燃燒溫度。
該方法步驟五中推進劑燃速的計算公式為：
v＝L/Δt
其中，v為推進劑燃速，L為兩個光譜測量部的間距，Δt為多個光譜測量部獲得輻射信號的時間差。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
(1)獲得火焰輻射光譜信號，利用光譜擬合法火焰輻射光譜信號得到溫度與輻射率參數，可進一步提供光學輻射法測量精度，同時結合陣列排布方式還可同時獲得燃速參數，實現了在線非接觸式多參數測量；
(2)對於推進劑燃燒測試來說，還具有多參數同時在線非接觸式測量、無需對藥條進行處理、易維護等優點。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標號來表示相同或相似的部分，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明測量裝置的結構示意圖。
圖2為本發明測量方法的流程圖。
具體實施方式
為使本申請的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合附圖及具體實施例，對本申請作進一步地詳細說明。為簡單起見，以下描述中省略了本領域技術人員公知的某些技術特徵。
基於火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置用來測試燃燒裝置1中藥條103的燃燒溫度、輻射率與燃速，如圖1所示，包括光匯聚部2、多個光譜測量部3、控制部4、信號處理部5及點火裝置。
燃燒裝置1為一密閉容器，該密閉容器內的壓強可以調節，用來開展特定實驗條件下的測試。燃燒裝置1包括燃燒室101、光學窗口102及藥條103，光學窗口102設置於燃燒室101一個側面上，燃燒室101的頂部和底部上分別設置一個固定件104，藥條103通過兩個固定件104固定在燃燒室101中心處。
光匯聚部2，用來收集藥條103燃燒的火焰輻射光109，由多個光匯聚器201組成，其數量可根據測試需要進行調整，並通過特殊固定件組成平行於藥條103排布的線陣列，布置於燃燒裝置1光學窗口102外側。測試實驗時，藥條103燃燒產生的火焰輻射光109經光學窗口102後，由相應的光匯聚器201接收，並耦合至光纖202中。
光譜測量部3，用來分析藥條103燃燒火焰輻射光譜信息，與光匯聚器201一一對應，且與對應的光匯聚器201之間通過光纖202連接。光譜測量部3包括準直器301、分光光柵302、多個接收不同波段光信號的光電探測器303及信號採集處理器307，準直器301與光匯聚器201通過光纖202連接，光電探測器303與信號採集處理器307電連接，多個光電探測器303呈弧形排列，其數量取決於光譜分析的精度。測試實驗時，光匯聚部2接收到的火焰輻射光經光纖202傳輸至準直器301，通過準直器301準直後，輻射光304經分光光柵302分束成波長不同的輻射光305，每個特定波段的輻射光305由對應的光電探測器303接收，轉換成電信號306由信號採集處理器307存儲並處理。
點火裝置包括點火線105、點火電極106及點火控制器108，點火線105連接點火電極106並穿過藥條103下端，點火控制器108連接點火電極106。測試實驗時，點火控制器108發出點火指令點燃點火線105，藥條103下端開始燃燒直至燃盡。
控制部4，分別與點火控制器108和多個光譜測量部3電連接，用來控制點火裝置的點火時間和多個光譜測量部3的測量時間，並使點火控制器和光譜測量部同步運行。
信號處理部5，與控制部4電連接，用來採集多個火焰輻射光光譜信號並處理，同時獲得推進劑燃燒溫度、輻射率與燃速多參數。
提供一種基於火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量方法，用於測試燃燒裝置1中由固體火箭推進劑製成的藥條103的燃燒參數，如圖2所示，包括：
步驟一、確定光匯聚器201的數量及分光光柵302和光電探測器303的參數，並將光匯聚部2布置於光學窗口102外側且與藥條103平行，獲取兩個光譜測量部2的間距；
步驟二、控制部4發出點火指令，並觸發光譜測量部2；
步驟三、多個光匯聚器201接收火焰輻射光，並耦合至光纖202；
步驟四、每個光譜測量部2獲得對應測點的燃燒火焰輻射光譜，經光譜儀響應標定得到實際輻射強度隨火焰輻射波長的變化情況，並記錄多個光譜測量部2獲得輻射信號的時間差；
步驟五、根據理論輻射強度和實際輻射強度計算得到輻射率與溫度，根據間距和時間差計算得到推進劑燃速。
根據普朗克定律，火焰輻射波長λ(nm)與輻射強度Eλ(W/m2)的關係為：
將推進劑燃燒火焰輻射視為灰體輻射，將實驗得到的光譜數據經標定後，利用最小二乘法結合普朗克定律，設定擬合目標函數：
式(1)與式(2)中，其中，Eλ為理論輻射強度，ε(T)為輻射率，C1、C2為輻射常量，λ為波長，T為火焰溫度，f(ε′)為最小二乘法擬合目標函數，ε′＝1/ε，yi是實際測量輻射強度，k為常數。
對式(2)進行迭代計算，當f取最小值時，對應的ε為推進劑燃燒輻射率，T為推進劑燃燒溫度。
步驟五中推進劑燃速的計算公式為：
v＝L/Δt
其中，v為推進劑燃速，L為兩個光譜測量部的間距，Δt為多個光譜測量部獲得輻射信號的時間差。
以上所述實施例僅表示本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能理解為對本發明範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明保護範圍。因此本發明的保護範圍應該以所述權利要求為準。