一種基于藍(lán)紫光的固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號在線測量方法①

陳佳輝,吳佳佳,強(qiáng)科杰,馮 偉,陳曉龍,劉津良,楊 斌*

(1. 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實驗室,上海 200093;2. 上海航天動力技術(shù)研究所,上海 201109;3. 西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

0 引言

羽流煙霧是固體火箭發(fā)動機(jī)重要的特征信號之一,會使得導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)能見度增加,飛行軌跡暴露,影響制導(dǎo)與通信,降低武器系統(tǒng)的生存能力。隨著武器系統(tǒng)需求的日益發(fā)展,在保證固體推進(jìn)劑能量特性的同時,固體火箭發(fā)動機(jī)的研制越來越關(guān)注羽流煙霧等特征信號的降低。固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧主要分為一次煙和二次煙[1]。其中,一次煙是由發(fā)動機(jī)噴管排出的燃?xì)夂凸腆w或液體凝相粒子所組成的混合物,主要來源于固體推進(jìn)劑配方中的金屬顆粒、催化劑等組分的燃燒,以及包覆層、絕熱層、尾噴管等材料熱分解生成的高溫碳顆粒與金屬氧化物、氯化物、氫氧化物等顆粒;二次煙作為一次煙產(chǎn)物的二次燃燒,主要是高氯酸銨、硝酸銨、硝胺和粘合劑等二次燃燒后生成的氯化氫和氟化氫等產(chǎn)物在一定環(huán)境溫度和濕度下凝聚成的小液滴。羽流煙霧顆粒對周圍環(huán)境光的散射效應(yīng)會使發(fā)動機(jī)明亮的后燃區(qū)后部拖有羽煙尾跡,這些一次煙與二次煙具有較強(qiáng)的衰減作用,將影響到武器系統(tǒng)制導(dǎo)能力,降低精確打擊精度[2]。雖然VICTOR等提出了通過推進(jìn)劑配方與發(fā)動機(jī)工況計算發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號的方法[3],但由于羽流煙霧粒徑、濃度等參數(shù)較為復(fù)雜,通過實驗測量煙霧光透過率來表征羽流煙霧特征信號更為直接準(zhǔn)確。

固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率測量目前主要采用煙道/煙箱收集法,通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)煙道/煙箱,將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的煙霧收集,再利用煙霧光透過率測量系統(tǒng)對煙霧進(jìn)行測量表征。孫美等采用煙道法研制了羽流煙霧光透過率檢測系統(tǒng),測量了4種不同推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率[4]。陳勝石等采用煙箱法對2種配方縮比發(fā)動機(jī)羽流在1.06 μm與10.6 μm波段進(jìn)行激光透過率測試,實驗結(jié)果表明10.6 μm煙霧光透過率高于1.06 μm[5]。張波等采用煙箱法,利用1064 nm與532 nm雙光源透射法對固體火箭發(fā)動機(jī)羽流透過率進(jìn)行了動態(tài)測試,滿足了低特征信號推進(jìn)劑研究的需要[6]。張勁民等采用煙箱法研制了羽流激光透過率測試系統(tǒng)對不同配方推進(jìn)劑的一次煙、二次煙進(jìn)行了實驗研究[7]。采用煙道/煙箱收集法易受到收集空間與環(huán)境的影響,難以分辨一、二次煙霧。對此,陳勝石等發(fā)現(xiàn)二次煙霧水汽在探測器表面凝結(jié)引起的透射光衰減隨時間逐漸增大,為消除這一影響,采用純水汽透過率除以煙霧和水汽綜合透過率進(jìn)行表征[5]。為進(jìn)一步簡化煙霧特征信號測試實驗流程,王長健等基于視頻圖像直接分析獲得推進(jìn)劑羽流煙霧較大空間范圍內(nèi)透過率的空間分布[8]。這種發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下羽流煙霧特征信號直接在線測量方法,無需采用煙道/煙箱收集羽流煙霧,可以有效簡化實驗操作流程。但是由于受到羽流高溫、燃?xì)饨M分濃度復(fù)雜等因素,發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下羽流在可見與紅外波段輻射強(qiáng)[9-11],這對光透過率的測量影響較大。

本文首先對固體火箭發(fā)動機(jī)羽流輻射進(jìn)行測量與分析,為消除羽流輻射對透射光測量的影響,采用406 nm藍(lán)紫光激光器、藍(lán)紫光濾波片與350～1020 nm波段光纖光譜儀搭建固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號測量系統(tǒng),并將其應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)φ118 mm試驗發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率測量,有效消除輻射對煙霧直接測量的影響,為固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號評價提供手段。

1 固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率測量方法

1.1 顆粒光散射理論

由于固體火箭發(fā)動機(jī)高溫羽流煙霧顆粒相態(tài)、粒徑分布與濃度等較為復(fù)雜,難以實現(xiàn)測量表征,因此發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號通常采用光經(jīng)羽流煙霧的光透過率來表征。

如圖1所示,光透過率T通過實驗測量入射光強(qiáng)I0與透射光強(qiáng)It,根據(jù)Lambert-Beer定律描述為[12]

圖1 顆粒光散射衰減示意圖Fig.1 Schematic of particle light scattering attenuation

(1)

式中τ為濁度;L為光程。

由于被測煙霧中顆粒粒徑分布復(fù)雜,假設(shè)粒徑為Di的顆粒在單位體積內(nèi)的數(shù)量濃度為Nt,則煙霧的濁度為

(2)

式中K為Mie散射理論定義的消光系數(shù),與入射光波長λ、顆粒粒徑D與顆粒折射率m有關(guān)。

1.2 激光波長選擇與分析

典型鋁含量12%和15%丁羥推進(jìn)劑(HTPB)發(fā)動機(jī)羽流350～1020 nm波段輻射光譜如圖2所示,其中,縱坐標(biāo)counts為光強(qiáng)計數(shù)值,表征光強(qiáng)度?？梢钥闯鲈?50～1020 nm波段,主要是由凝聚相產(chǎn)物產(chǎn)生的連續(xù)光譜以及金屬原子受熱激發(fā)產(chǎn)生的原子特征譜線疊加形成。為了更好地表征固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率參數(shù),需要重點(diǎn)考慮消除羽流輻射影響,避免選擇原子特征譜線附近作為光源。因此,根據(jù)固體火箭發(fā)動機(jī)羽流典型輻射光譜特征,考慮羽流自身輻射對激光透過率測量的影響,并綜合目前常用激光器的工作波長、光譜儀光譜探測范圍與探測靈敏度等因素,因此,選取406 nm波長附近作為目標(biāo)波長,采用406 nm藍(lán)紫光激光器、藍(lán)紫光濾波片與350～1020 nm波段光纖光譜儀搭建固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號測量系統(tǒng)。

圖2 12%與15%鋁含量HTPB推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)典型羽流輻射光譜Fig.2 Typical plume radiation spectrums of HTPB propellant motors with 12% and 15% aluminum

1.3 典型煙霧顆粒光散射衰減特性分析

選取406、650、980 nm作為入射波長,對5 μm與15 μm粒徑的顆粒開展典型濃度顆粒光透過率仿真計算,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鱿嗤w粒濃度下,顆粒粒徑是影響光透過率的主要因素。相同粒徑下,在350～1020 nm波段選取不同入射光波長,顆粒不同光程的光透過率規(guī)律基本一致。選取406 nm波長入射光源,獲得350～1020 nm波段的煙霧光透過率具有代表性。

圖3 不同粒徑顆粒光散射衰減計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of light scattering attenuation of particles with different sizes

2 固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧測量系統(tǒng)及試驗

2.1 固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號測量系統(tǒng)

基于上述分析,為了獲得固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率,搭建羽流煙霧特征信號測量系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號測量系統(tǒng)Fig.4 Measurement system for plume smoke characteristic signal of solid rocket motor

該系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)φ118 mm試驗發(fā)動機(jī)、聚光透鏡、光纖探頭、2臺光纖光譜儀(Isuzu Optics Corp.,SE1040-25-VNIR,350～1020 nm)、406 nm藍(lán)紫光激光器、衰減片、藍(lán)紫光濾光片組成。光譜儀2的光纖探頭距離噴管出口截面5 cm,光譜儀1的光纖探頭距離噴管出口10 cm,兩個光譜儀于羽流一側(cè)并排擺放。激光器放置于羽流另一側(cè)與光譜儀2中心對齊放置,激光器與光譜儀2的探頭間距為40 cm左右。其中,發(fā)動機(jī)羽流輻射測量采用光譜儀1獲得,羽流輻射光經(jīng)透鏡匯聚至光纖探頭由光纖傳輸至光譜儀1記錄,光譜儀1積分時間設(shè)為10 ms,光譜采集頻率為10 Hz;發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率測量采用光譜儀2獲得,激光器發(fā)射激光經(jīng)衰減片衰減至合適強(qiáng)度照射羽流,透射光經(jīng)濾波片與透鏡匯聚至光纖探頭由光纖傳輸至光譜儀2記錄,光譜儀2積分時間設(shè)為10 ms,光譜采集頻率為10 Hz。

2.2 試驗發(fā)動機(jī)與試驗工況

為驗證本文提出的羽流煙霧特征信號測量方法,將搭建的測量系統(tǒng)應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)φ118 mm發(fā)動機(jī)試驗開展羽流煙霧光透過率測量,其中,發(fā)動機(jī)噴管是具有石墨喉襯的絕熱錐形噴管,可以調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)燃燒室壓強(qiáng)。選取的6次試驗采用聚醚與HTPB兩類固體推進(jìn)劑,試驗推進(jìn)劑類型、燃速、配方與燃燒室平均壓強(qiáng)工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗發(fā)動機(jī)工況與推進(jìn)劑主要配方Table 1 Conditions and propellant formulation of test motors

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 羽流藍(lán)光光源-濾波探測透射光譜分析

應(yīng)用固體發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號測量系統(tǒng)獲得典型12%和15%鋁含量HTPB推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作時間段羽流350～1020 nm波段激光透射與輻射耦合光譜如圖5所示?？梢姴捎?06 nm藍(lán)紫光激光器配合藍(lán)紫光濾波片開展光譜探測,光譜儀獲得的光譜中羽流輻射光強(qiáng)度大幅減弱,特別是在406 nm波長附近,羽流輻射影響可以忽略,采用該方案可消除羽流輻射對煙霧光透過率測量的影響,由此可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下羽流煙霧光透過率在線直接測量,這為簡化煙箱/煙道收集法實驗操作流程提供有效途徑。

3.2 發(fā)動機(jī)工況重復(fù)性實驗測量結(jié)果分析

采用406 nm藍(lán)紫光激光器配合藍(lán)紫光濾波片方式對19%鋁含量聚醚推進(jìn)劑相同工況下2次試驗(工況1與工況2)進(jìn)行光譜測量。為更好地統(tǒng)一對比,以發(fā)動機(jī)工作前初始光強(qiáng)平均值為參考值,對光強(qiáng)曲線進(jìn)行歸一化處理,2次實驗406 nm波長附近強(qiáng)度變化情況如圖6所示,可見發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后,羽流出現(xiàn)大量凝相粒子煙霧,激光經(jīng)煙霧散射、吸收等作用出現(xiàn)衰減,持續(xù)至發(fā)動機(jī)結(jié)束工作后,激光透射光強(qiáng)立即增強(qiáng),但并未恢復(fù)至初始光強(qiáng),這是由于發(fā)動機(jī)結(jié)束工作后,形成的一、二次煙霧存在實驗空間導(dǎo)致激光透射光強(qiáng)無法恢復(fù)至試驗初始狀態(tài),并且此時煙霧濃度與環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)與煙霧擴(kuò)散條件有關(guān)。取初始光強(qiáng)與工作狀態(tài)光強(qiáng)平均值計算羽流煙霧光透過率,結(jié)果如表2所示。19%鋁含量聚醚推進(jìn)劑相同工況下2次實驗羽流煙霧光透過率分別為17.39%與16.41%,兩者相對偏差為5.80%,可見該方法對于發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率測量重復(fù)性較好。

圖6 19%鋁含量聚醚推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)羽流激光透射光強(qiáng)歸一化結(jié)果Fig.6 Normalized results of intensities transmitted of polyether propellant motor with 19% aluminum

表2 19%鋁含量聚醚推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)羽流激光透過率測量結(jié)果Table 2 Measurement results of plume laser transmissivities of polyether propellant motors with 19% aluminum

3.3 同類型推進(jìn)劑不同工況羽流煙霧特征信號對比

應(yīng)用搭建的固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號測量系統(tǒng)開展4次HTPB推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)試驗羽流激光透過率測量,4次發(fā)動機(jī)試驗的燃燒室壓強(qiáng)-推力曲線如圖7所示。

(a)Pressure

(b)Thrust圖7 HTPB推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)試驗發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)-推力曲線Fig.7 Pressure and thrust curves of HTPB propellant standard test motors

羽流激光透過率測量結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后獲得的激光透射光強(qiáng)曲線如圖8所示,取初始光強(qiáng)與工作狀態(tài)光強(qiáng)平均值計算羽流煙霧光透過率,結(jié)果如表3所示。由于試驗3與試驗4采用12%鋁含量HTPB固體推進(jìn)劑,試驗5與試驗6采用15%鋁含量HTPB固體推進(jìn)劑,對于試驗4與試驗5,采用同類型HTPB推進(jìn)劑,兩者燃燒室壓強(qiáng)相近,分別為6.81、6.19 MPa,羽流煙霧光透過率隨著推進(jìn)劑鋁含量提高,羽流凝相粒子體積濃度增加,羽流煙霧光透過率降低。對于采用相同推進(jìn)劑配方試驗(試驗3與試驗4、試驗5與試驗6)測量結(jié)果對比,可見隨著燃燒室壓強(qiáng)的提高,鋁顆粒燃燒更為充分,羽流凝相粒子體積濃度降低,煙霧光透過率提高。推進(jìn)劑鋁含量與燃燒室壓強(qiáng)都將影響固體發(fā)動機(jī)羽流煙霧光透過率,對于HTPB推進(jìn)劑來說,鋁含量影響更為明顯。因此,對于低特征固體火箭推進(jìn)劑配方及發(fā)動機(jī)性能設(shè)計來說,應(yīng)綜合考慮推進(jìn)劑鋁含量與燃燒室壓強(qiáng)影響。

圖8 12%和15%鋁含量HTPB推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)羽流激光透射光強(qiáng)歸一化結(jié)果Fig.8 Normalized results of plume transmitted intensities of HTPB propellant motors with 12% and 15% aluminum

表3 12%和15%鋁含量HTPB推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)羽流激光透過率測量結(jié)果Table 3 Measurement results of plume laser transmissivities of HTPB propellant motors with 12% and 15% aluminum

此外,將HTPB推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)羽流激光透過率測量結(jié)果與聚醚推進(jìn)劑相比,雖然聚醚推進(jìn)劑鋁含量遠(yuǎn)高于HTPB推進(jìn)劑,但兩者煙霧激光透過率相當(dāng)。因此,聚醚推進(jìn)劑更適合用于固體發(fā)動機(jī)低特征需求。

4 結(jié)論

(1)提出了選取406 nm波長作為目標(biāo)波長,采用藍(lán)紫光激光器以及藍(lán)紫光濾波探測,可減弱羽流輻射對煙霧特征信號測量的影響。通過顆粒光散射衰減仿真計算,顆粒粒徑與濃度是光透過率的重要影響因素,對于相同顆粒濃度與粒徑,350～1020 nm波段不同入射光波長,顆粒不同光程的光透過率規(guī)律基本一致。選取406 nm波長入射光源,獲得350～1020 nm波段的煙霧光透過率具有代表性。

(2)應(yīng)用基于藍(lán)紫光的固體火箭發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號直接測量方法開展標(biāo)準(zhǔn)φ118 mm發(fā)動機(jī)試驗激光透過率測量,結(jié)果顯示該測量方法有效消除了輻射對煙霧直接測量的影響,有效簡化了煙箱/煙道收集法實驗操作流程,測量具有較好的重復(fù)性。

(3)開展了HTPB推進(jìn)劑不同鋁含量與燃燒室壓強(qiáng)下標(biāo)準(zhǔn)φ118 mm試驗發(fā)動機(jī)羽流煙霧特征信號測量,結(jié)果顯示在相近燃燒室壓強(qiáng)下,隨著推進(jìn)劑鋁含量提高,羽流凝相粒子體積濃度增加,羽流煙霧光透過率降低;采用相同配方固體推進(jìn)劑,隨著燃燒室壓強(qiáng)的提高,鋁顆粒燃燒更為充分,羽流凝相粒子體積濃度降低,煙霧光透過率提高。