楊燕京, 趙鳳起, 孫　美, 儀建華, 姚德龍, 軒春雷, 許　毅, 王長建, 孫志華, 安　亭

(1.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

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基于TDLAS技術(shù)的雙基系推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速特性研究

楊燕京1, 趙鳳起1, 孫美1, 儀建華1, 姚德龍2, 軒春雷1, 許毅1, 王長建1, 孫志華1, 安亭1

(1.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

摘要：基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)，利用吸收光譜中1392nm附近的H2O吸收譜線，測量了雙基推進(jìn)劑和改性雙基推進(jìn)劑裝藥在Ф50mm標(biāo)準(zhǔn)縮比發(fā)動機中燃燒后產(chǎn)生的排氣羽流的流速。結(jié)果表明，雙基推進(jìn)劑裝藥的流速在達(dá)到第1個峰值后有稍許下降，隨后緩慢上升，進(jìn)入位于0.90～1.39s的平臺區(qū)；而改性雙基推進(jìn)劑裝藥的流速在達(dá)到1100m/s后直接進(jìn)入位于0.33～0.88s的平臺區(qū)，而流速在該區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢；上述兩種裝藥的排氣羽流流速曲線的變化趨勢與燃燒室內(nèi)壓強曲線一致，但由于流速測量點距噴口有一定距離，導(dǎo)致其與壓強曲線相比有一定程度的滯后；雙基和改性雙基兩種推進(jìn)劑裝藥在距發(fā)動機噴口30cm處的平均羽流流速分別為831.8和1057.5m/s。

關(guān)鍵詞：可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜；TDLAS；固體推進(jìn)劑；排氣羽流；羽流流速

引 言

固體推進(jìn)劑裝藥在發(fā)動機燃燒室內(nèi)燃燒生成的產(chǎn)物通過噴管排出，形成排氣羽流。排氣羽流場的特征與發(fā)動機及推進(jìn)劑的性能密切相關(guān)。作為流場的基本物理量，研究流速及其分布對于深入認(rèn)識流場的特性至關(guān)重要，進(jìn)而可為發(fā)動機的設(shè)計和固體推進(jìn)劑配方的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)作用。

現(xiàn)有的流速測量技術(shù)可分為接觸式測量技術(shù)和非接觸式測量技術(shù)。由于排氣羽流具有高溫、高速兩個特點，僅非接觸式測量技術(shù)可以用于對其的研究。非接觸式流速測量技術(shù)主要包括激光多普勒流速儀(LDV)、粒子圖像測速儀(PIV)和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)。其中，LDV和PIV技術(shù)的測量對象是流體中的示蹤粒子，TDLAS技術(shù)測量的則是流體中特定氣體的運動速度。因此，從原理上說，利用TDLAS技術(shù)可以獲得流體真實的流速。

TDLAS技術(shù)在風(fēng)洞、流速測量方面的應(yīng)用得到了國內(nèi)外研究機構(gòu)的重視[1]。美國國家航空航天局(NASA)在高超聲速國際飛行研究試驗(HIFiRE)和渦輪基組合循環(huán)(TBCC)項目的研究中應(yīng)用了TDLAS技術(shù)[2-3]。張春曉等[4]選擇位于6548.7cm-1處的NH3吸收譜線，對NH3和N2混合氣體中NH3的流速和濃度進(jìn)行了測量；賈良權(quán)等[5]以氧氣在13144.5cm-1附近的吸收譜線為測量對象，使用TDLAS技術(shù)研究了風(fēng)洞中氧氣的流速；張亮等[6]則以1398nm處水的吸收譜線為測量對象，實現(xiàn)了高速流場的檢測；中科院力學(xué)研究所[7-9]使用TDLAS系統(tǒng)研究了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室入口和燃燒室內(nèi)的流速、溫度和濃度等參量的測量；西北工業(yè)大學(xué)[10-12]也利用TDLAS技術(shù)研究了脈沖爆震火箭發(fā)動機尾焰參數(shù)、超燃沖壓發(fā)動機進(jìn)氣的特性，并與上海理工大學(xué)[13]合作研究了火箭基組合循環(huán)發(fā)動機出口處燃?xì)獾牧魉佟?/p>

上述研究證實了TDLAS在流體流速測量，特別是高溫、高速流場中流體的流速測量方面的可行性。然而，目前國內(nèi)尚未有將TDLAS技術(shù)應(yīng)用于固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量方面的報道。本研究選擇雙基和改性雙基兩種典型的固體推進(jìn)劑，利用TDLAS技術(shù)研究了上述兩種推進(jìn)劑裝藥在標(biāo)準(zhǔn)縮比發(fā)動機內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的排氣羽流的流速特征，以期為推進(jìn)劑配方優(yōu)化和發(fā)動機設(shè)計提供參考。

1實驗

1.1樣品

雙基推進(jìn)劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC 59%、NG 8%、二硝基甲苯8%、中定劑3%、燃燒催化劑3%、其他2%，其比沖為1876.4N·s/kg；改性雙基推進(jìn)劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC 35%、NG 25%、RDX 27%、Al 3%、燃燒催化劑4%、其他6%，其比沖為2082.0N·s/kg。

1.2實驗原理

TDLAS技術(shù)測量固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流中氣體的流速基于多普勒效應(yīng)，光路示意圖如圖1所示。

圖1　固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量光路圖Fig.1　Optical path for measuring the exhaust plumevelocity of solid propellant charge

設(shè)頻率為v的光束穿過測量區(qū)域，該過程中光源靜止，光接收器即為氣體分子，則運動的氣體分子接收到的光子表觀頻率(v′)為

v′=v(1-u·l1/c)

(1)

式中：u為氣流的流速；l1為第1次多普勒過程中源指向接收器的單位矢量；c為光速，流速計算中取c值為3×108m/s。

若光子被氣體分子吸收，將導(dǎo)致探測器接收到的光強信號的減弱。未被吸收的散射光子則將經(jīng)歷第2次多普勒頻移過程，該過程中光源的運動速度和流速相同，光接收器即為光電探測器，處于靜止?fàn)顟B(tài),則探測器接收到光子的表觀頻率(v″)為

v″=v′/(1-u·l2/c)=v

(2)

式中：l2為第2次多普勒過程中源指向接收器的單位矢量；l1和l2相等，統(tǒng)一記作l。

由上述分析可知，對于非吸收光，將經(jīng)歷上述兩次頻移后，探測器接收信號頻率和激光器發(fā)射頻率相同，沒有總的頻移；而對于吸收光，僅經(jīng)歷第1次頻移，在氣體分子接收的表觀頻率為氣體特征吸收中心頻率時將產(chǎn)生最大吸收，即v′=v0，此時頻移大小為

(3)

圖1中激光光束1和光束2方向上的流速分量大小相同、方向相反，因此將導(dǎo)致吸收線的中心頻率分別向高頻和低頻方向移動，兩者的總頻差為2Δv，如圖2所示。由于角度θ在光路結(jié)構(gòu)安排中已知，通過測量頻差就可以反演出流速。

圖2　頻差示意圖Fig.2　Schematic diagram of frequency difference

1.3實驗裝置

實驗所涉及的雙基和改性雙基推進(jìn)劑的燃?xì)庵芯兴拇嬖?，而水在二極管激光器工作波段具有較強的吸收，因此選擇水作為TDLAS的測量對象以表征羽流流速。本研究選取水位于1392nm附近的譜線用于測量。

固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速特性研究系統(tǒng)如圖3所示，其中流速標(biāo)定模塊用于實時測量各時刻半導(dǎo)體激光器的出光頻率。實驗中使用的固體火箭發(fā)動機為Ф50mm標(biāo)準(zhǔn)縮比發(fā)動機，帶測壓孔，通過優(yōu)化噴管直徑使得發(fā)動機工作壓強為7MPa左右。推進(jìn)劑裝藥為單孔管狀藥，自由裝填，其外徑45mm,內(nèi)徑8mm，包覆方式為單端包覆。

圖3　固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速特性研究系統(tǒng)示意圖Fig.3　Schematic diagram of the investigating systemof exhaust plume velocity characteristics forsolid propellant charge

1.4實驗方法

將TDLAS流速測量裝置放置于固體火箭發(fā)動機測試臺架后方；通電對測量裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，主要檢查兩路激光是否正常出光、光強值是否有明顯差別等。若儀器工作狀態(tài)正常，即可將推進(jìn)劑裝藥裝入測試發(fā)動機的測試臺架上；隨后連接發(fā)動機點火線，設(shè)置羽流流速的采樣速率，在接通點火電源使發(fā)動機點火時，觸發(fā)TDLAS流速測量裝置采集數(shù)據(jù)，在發(fā)動機工作完畢后停止采集。

2結(jié)果與討論

2.1雙基推進(jìn)劑羽流流速特性

對雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速特性進(jìn)行測量，得到羽流流速隨時間的變化曲線，如圖4所示。

圖4　雙基推進(jìn)劑裝藥羽流流速隨時間的變化曲線Fig.4　Curve of change in plume velocity with timefor double-base propellant charge

由圖4可知，發(fā)動機點火后，雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速迅速升高，在0.55 s處達(dá)到第1個峰值，此時流速約為717m/s；隨后流速出現(xiàn)一定程度的降低，在0.64s處降至約654m/s。接下來羽流流速以相對較慢的速率升高，在0.90s時達(dá)到839m/s，并在0.90～1.39s出現(xiàn)了一個流速平臺，該平臺是推進(jìn)劑裝藥穩(wěn)定燃燒的標(biāo)志。平臺結(jié)束后，流速迅速下降，在約1.64s處降至0。對雙基推進(jìn)劑裝藥穩(wěn)定燃燒區(qū)域(即圖4中兩條黑色虛線間的區(qū)域)內(nèi)的流速取平均值，可以得到雙基推進(jìn)劑裝藥在距離發(fā)動機噴口30cm處的平均羽流流速為831.8m/s。

2.2改性雙基推進(jìn)劑羽流流速特性

使用相同的實驗參數(shù)，對改性雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速進(jìn)行了測量，得到流速隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5　改性雙基推進(jìn)劑裝藥羽流流速隨時間的變化曲線Fig.5　Curve of change in plume velocity with time forcomposite modified double-base propellant charge

由圖5可知，TDLAS測試系統(tǒng)在0.17s時開始探測到羽流流速的變化，在0.33s時，達(dá)到1100m/s，同時進(jìn)入羽流流速平臺區(qū)。該平臺區(qū)是推進(jìn)劑裝藥穩(wěn)定燃燒的標(biāo)志，對應(yīng)時間范圍為0.33～0.88s。但是，在平臺區(qū)內(nèi)，除0.61s處存在一個較小的流速峰外，流速曲線整體上表現(xiàn)出下降趨勢。該羽流流速曲線變化的結(jié)束點位于1.03s處，與起始點間的時間間隔為0.86s。對平臺區(qū)內(nèi)的羽流流速取平均值，可得改性雙基推進(jìn)劑裝藥在距發(fā)動機噴口30cm處的平均羽流流速為1057.5m/s。

2.3羽流流速曲線與發(fā)動機內(nèi)壓強曲線的比較

2.3.1雙基推進(jìn)劑裝藥

在進(jìn)行羽流流速測試的同時，對發(fā)動機內(nèi)壓強的變化情況也進(jìn)行了監(jiān)測。圖6為雙基推進(jìn)劑裝藥羽流流速測量實驗過程中發(fā)動機內(nèi)壓強隨時間的變化曲線。

對比圖4與圖6，可以發(fā)現(xiàn)二者的曲線形狀變化規(guī)律較為相似，均在流速/壓強達(dá)到第1個峰值后出現(xiàn)下降過程，隨后再次上升并產(chǎn)生流速/壓強平臺，這說明推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線也體現(xiàn)了發(fā)動機內(nèi)部推進(jìn)劑的燃燒狀態(tài)。然而，相比流速曲線，壓強曲線中第1個峰值的相對強度更高，同時平臺也更寬。這是因為，流速測量的采樣率遠(yuǎn)低于壓強測量，可能導(dǎo)致曲線形狀的變化；另一方面，羽流流速測量屬于外場測量，較容易受到外界環(huán)境的影響。

圖6　雙基推進(jìn)劑裝藥燃燒過程中發(fā)動機內(nèi)壓強隨時間的變化曲線Fig.6　Curve of change in pressure with time in the combustionprocess of double-base propellant charge in the motor

此外，流速曲線變化的起始點(0.41s處)和結(jié)束點(1.65s處)相比壓強曲線變化的起始點(0.34s處)和結(jié)束點(1.42s處)均有一定程度的滯后，且流速曲線上起始點和結(jié)束點的間距也大于壓強曲線上兩個點的間距；此外，發(fā)動機點火后壓強的升高速率明顯高于羽流流速增大的速率，而發(fā)動機工作結(jié)束后壓強的降低速率也高于羽流流速減小的速率。上述現(xiàn)象的原因在于，壓強曲線的變化直接反映了發(fā)動機內(nèi)的情況，而TDLAS裝置測量的則是距噴口一定距離(30cm)的羽流流速，其探測到的流速變化顯然會滯后于壓強的變化。

2.3.2改性雙基推進(jìn)劑裝藥

改性雙基推進(jìn)劑裝藥燃燒過程中發(fā)動機內(nèi)壓強隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7　改性雙基推進(jìn)劑裝藥燃燒過程中發(fā)動機內(nèi)壓強隨時間的變化曲線Fig.7　Curve of change in pressure with time in thecombustion process of composite modified double-basepropellant charge in the motor

由圖7可知，改性雙基推進(jìn)劑裝藥的燃燒約在0.14s開始。0.16s時，發(fā)動機內(nèi)壓強即達(dá)到峰值，隨后進(jìn)入平臺區(qū)，相應(yīng)的時間范圍為0.16～0.82s。該壓強曲線的平臺區(qū)整體上表現(xiàn)出下降趨勢，與羽流流速曲線(圖5)的變化趨勢一致。然而，壓強曲線上0.16～0.39s范圍內(nèi)的波動并沒有體現(xiàn)在羽流流速曲線上，這可能是由流速測量采樣率較低而導(dǎo)致的。此外，由于TDLAS裝置探測的外流場變化滯后于測壓裝置所探測的內(nèi)流場，改性雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線和發(fā)動機內(nèi)壓強曲線也在起始點、結(jié)束點、平臺寬度等參數(shù)上有所不同，相應(yīng)規(guī)律與雙基推進(jìn)劑裝藥一致。

3結(jié)論

(1)利用激光中心波長為1392nm的TDLAS裝置實現(xiàn)了雙基和改性雙基兩種推進(jìn)劑裝藥羽流流速的在線測量，測得雙基和改性雙基推進(jìn)劑裝藥在距發(fā)動機噴口30cm處的平均羽流流速分別為831.8和1057.5m/s。

(2)雙基和改性雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線總體變化趨勢均與相應(yīng)發(fā)動機內(nèi)壓強曲線吻合良好，但相比壓強曲線有一定程度的滯后。

(3)推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線也能反映出發(fā)動機燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑的燃燒狀態(tài)。

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Investigations on the Exhaust Plume Velocity Characteristics of Double-base and CMDB Propellants Charge Based on TDLAS Technique

YANG Yan-jing1, ZHAO Feng-qi1, SUN Mei1, YI Jian-hua1, YAO De-long2, XUAN Chun-lei1, XU Yi1,WANG Chang-jian1, SUN Zhi-hua1, AN Ting1

(1.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065, China; 2.Test and Measurement Academy, China North Industries Group, Huayin Shaanxi 714200, China)

Abstract:Based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique, the exhaust plume velocities produced after the combustion of double-base (DB) and composite modified double-base (CMDB) propellants charge in a Φ50mm standard subscale motor were measured using a H2O absorption line near 1392nm. The results show that for the DB propellant charge, the plume velocities decrease a little and then increase gradually after the first peak is reached. After that, a plateau could be observed in the time range of 0.90-1.39s. As for the CMDB propellant charge, a plateau is detected at 0.33-0.88s after the velocity reaches 1100m/s and the velocities decrease gradually in this plateau. The changing trend of the exhaust plume velocity curves of the solid propellant charge is in agreement with the combustion chamber pressure curve, but compared to the pressure curve, the velocity curve has a certain degree of lag due to that the exhaust plume velocities were determined at a distance from the nozzle. The mean plume velocities of DB and CMDB propellants charge at the position 30cm from the engine nozzle are determined to be 831.8 and 1057.5m/s, respectively.

Keywords:tunable diode laser absorption spectroscopy; TDLAS; solid propellant; exhaust plume; plume velocity

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.0014

收稿日期:2016-01-12；修回日期:2016-04-16

基金項目:國家自然科學(xué)基金(No. 21503163)

作者簡介:楊燕京(1987-)，男，博士，從事固體推進(jìn)劑及羽流特征信號測試研究。E-mail:mseyyj@163.com 通訊作者:趙鳳起(1963-)，男，博士，研究員，從事固體推進(jìn)劑及含能材料研究。E-mail: zhaofqi@163.com

中圖分類號：TJ55;V512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)03-0070-05