一種固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度實驗測試方法，該方法基于紅外測溫原理測試獲得推進劑燃燒噴焰等離子體長度，根據微波干涉法測試獲得推進劑燃燒噴焰微波信號衰減以及相移信號，進而經過數學處理獲得固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度。該方法克服了探針法干擾燃燒噴焰、光譜法與推進劑燃燒噴焰溫度不適應等缺點，主要是一種基于橋式電路的微波裝置，特別適宜于觀測瞬變等離子體，優化集成了紅外熱像儀和微波干涉儀，并將其應用于固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度測試，大大提高了測量結果的準確度。該測試方法設計合理、操作簡便，可為微波制導與等離子推進武器用固體推進劑配方設計提供依據。
【專利說明】 一種固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度測試方法。
【背景技術】
[0002]固體推進劑在燃燒室中通過燃燒反應將其化學能轉變成燃燒產物的熱能，而高溫的燃燒產物會在拉瓦爾噴管出口外部形成羽毛狀的發光火焰流場，稱為燃燒噴焰。它是一種氣體分子密度極大、自由電子濃度和電子碰撞頻率很高、湍流起伏非常劇烈的高溫弱等離子體，其包含自由電子、自由離子以及中性粒子，主要由熱電離和化學電離而形成，它對電波傳播可產生吸收、相移、反射、散射、繞射和多徑等效應，會使電波信號產生衰減、相位移、調幅調相噪聲和相干帶寬下降，從而使火箭主飛行段的跟蹤測量和遙控遙測系統受到不同程度的影響。
[0003]自由電子濃度是等離子體中的一個重要參數，是指單位體積中的自由電子數。當微波制導信號穿越推進劑燃燒噴焰時，自由電子對微波能量吸收、反射和繞射等使制導信號衰減，影響彈箭武器裝備的通信；同時，自由電子對制導信號的反射使彈箭武器裝備的視在尺寸變大，容易被敵方發現。研究固體推進劑燃燒噴焰的等離子性質對于提高導彈的隱蔽性能和精確制導能力有著重要的意義。
[0004]北約等軍事強國對固體推進劑燃燒噴焰等離子體性質開展了一些研究，但尚沒有公開報道其測試方法和測試裝置，國內對實驗室等離子體開展了一些研究，大多采用探針法、光譜法等，但對于固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度測試尚沒有建立方法，還不能為微波制導與等離子推進武器用固體推進劑配方設計提供指導。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度測試方法，為微波制導及等離子武器用固體推進劑研制提供參考。
[0006]為解決其技術問題，實現本發明目的技術方案包括如下步驟:
[0007]步驟一:紅外熱像儀比例尺:架設靶板，靶板的面積為(1.5X1.5)m2，靶板上有1.2mX1.2m、0.8mX 0.8m、0.4mX 0.4m的黑色邊框，邊框寬度為0.1m ;靶板中心有
0.1mX0.1m黑色方塊；利用靶板對紅外熱像儀進行標定，比例尺定義為K= 1.2/Nu，單位為米每像素(m/px)，其中1.2為靶板中1.2m黑色邊框寬度，Nli為標定圖像中靶板中心1.2m黑色邊框所占圖像寬度，單位為像素(px)；
[0008]步驟二，在確定了紅外熱圖中像素與實際尺寸之間的比例關系后，對紅外熱圖中燃燒噴焰火焰區域作最小外接矩形，若外接矩形的寬度所占像素數為N，則燃燒噴焰的等離子尺寸按式L = NXK計算，其中L為紅外熱圖中的等離子尺寸，單位為米(m)，N為紅外熱圖中火焰外接矩形的長邊在圖像中所占像素數；
[0009]步驟三，推進劑裝藥采用Φ 36mm發動機裝藥，測量推進劑的內、外徑、長度，在藥柱一端粘包覆片后稱重，每組五發，將試樣編號；根據動機工作壓力、推進劑品種及性能選擇適當的發動機噴管；點火藥選用小2#黑火藥，藥量根據被測推進劑而定，稱好的點火藥用綢布將其與點火頭包扎成點火藥包；
[0010]步驟四，按技術要求裝配好發動機，將裝配好的發動機固定在測試臺架上，接好測壓傳感器及點火線；測壓系統靜態標定按GJB770B - 2005方法705.2比沖推力臺法進行；
記錄實驗室環境溫度；
[0011]步驟五，調試并使紅外熱像儀及高速數據采集儀工作正常，設置數據采集器的設定采集速度為1000點/S，設置紅外熱像儀的輻射系數為0.1 ;發動機點火，自動采集發動機紅外熱圖，并存入磁盤；處理獲得紅外熱圖中火焰外接矩形在圖像中所占像素數，并根據步驟二處理獲得固體推進劑燃燒噴焰等離子體尺寸；
[0012]步驟六，架設微波干涉儀:微波干涉儀的發射天線與接收天線分別位于發動機噴口兩邊，且與發動機噴口方向垂直，根據步驟一~步驟五確定的固體推進劑燃燒噴焰等離子體寬度，調節發射天線與接收天線的距離，使其與燃燒噴焰等離子體直徑相適應；
[0013]步驟七，為使微波干涉儀的發射天線與接收天線位于同一軸線上，設計加工天線架臺，專用臺架上微波干涉儀發射接收端電子器件部分用絕熱夾套保護起來，探針的高度可以自由調節，發射天線與接收天線之間的距離可以自由調節；
[0014]步驟八，按步驟三、步驟四做好發動機試驗準備，每發試驗前，檢查調試微波干涉儀的零點及滿量程；開啟數據采集器以及紅外熱像儀，發動機點火，自動采集微波干涉儀的衰減、相移信號以及發動機紅外熱圖，并存入磁盤；
[0015]步驟九，按步驟六~步驟八獲得微波干涉儀測試結果相移和衰減幅值，進而由公
【權利要求】
1.固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度實驗測試方法，其特征在于，該測試方法包括如下步驟: 步驟一，用靶板對紅外熱像儀進行標定，比例尺定義為K=L 2/Nu，單位為米每像素(m/px)，其中1.2為靶板中1.2m黑色邊框寬度，Nu為標定圖像中靶板中心1.2m黑色邊框所占圖像寬度，單位為像素(px); 步驟二，在確定了紅外熱圖中像素與實際尺寸之間的比例關系后，對紅外熱圖中燃燒噴焰區域作最小外接矩形，若外接矩形的寬度所占像素數為N，則燃燒噴焰的等離子尺寸按SL = NXK計算，其中L為紅外熱圖中的等離子尺寸，單位為米(m)，N為紅外熱圖中火焰外接矩形的長邊在圖像中所占像素數； 步驟三，推進劑裝藥采用Φ36πιπι發動機裝藥，測量推進劑的內、外徑、長度，在藥柱一端粘包覆片后稱重，每組五發，將試樣編號；根據動機工作壓力、推進劑品種及性能選擇適當的發動機噴管；點火藥選用小2#黑火藥，藥量根據被測推進劑而定，稱好的點火藥用綢布將其與點火頭包扎成點火藥包； 步驟四，按技術要求裝配好發動機，將裝配好的發動機固定在測試臺架上，接好測壓傳感器及點火線；測壓系統靜態標定按GJB770B - 2005方法705.2比沖推力臺法進行；記錄實驗室環境溫度； 步驟五，調試并使紅外熱像儀及高速數據采集儀工作正常，設置數據采集器的采集速度為1000點/s，設置紅外熱像儀的輻射系數為0.1 ;發動機點火，自動采集發動機紅外熱圖，并存入磁盤，處理獲得紅外熱圖中火焰外接矩形在圖像中所占像素數，并根據步驟二處理獲得固體推進劑燃燒噴焰等離子體尺寸； 步驟六，微波干涉儀的發射天線與接收天線分別位于發動機噴口兩邊，且與發動機噴口方向垂直，根據步驟一~步驟五確定的固體推進劑燃燒噴焰等離子體寬度，調節發射天線與接收天線的距離，使其與燃燒噴焰等離子體直徑相適應； 步驟七，為使微波干涉儀的發射天線與接收天線位于同一軸線上，設計加工天線架臺，專用臺架上微波干涉儀發射接收端電子器件部分用絕熱夾套保護起來，探針的高度可以自由調節，發射天線與接收天線之間的距離可以自由調節； 步驟八，按權利要求1所述步驟三、步驟四做好發動機試驗準備，每發試驗前，檢查調試微波干涉儀的零點及滿量程；開啟數據采集器以及紅外熱像儀，發動機點火，自動采集微波干涉儀的衰減、相移信號以及發動機紅外熱圖，并存入磁盤； 步驟九，按權利要求1中步驟六~步驟八獲得微波干涉儀測試結果相移和衰減幅值，進而由公式
即可獲得固體推進劑燃燒噴焰自由電子濃度，其中為微波干涉儀的相移，單位為度(° ), Δ η為微波干涉儀的衰減幅值，單位為分貝(dB)，η為固體推進劑燃燒噴焰的自由電子濃度，單位為每立方厘米(cm_3)； 步驟十，固體推進劑燃燒噴焰工作時間內的平均自由電子濃度:推進劑的工作時間區域由發動機壓力-時間曲線來確定，由
即可獲得固體推進劑燃燒噴焰工作時間內的平均自由電子濃度，其中At為推進劑的工作時間，單位為秒(s)，n(t)為推進劑工作t時刻燃燒噴焰的自由電子濃度，單位為每立方厘米(cnT3)，I為推進劑燃燒噴焰工作時間 內的平均自由電子濃度，單位為每立方厘米(cnT3)。
【文檔編號】G01N22/00GK104181172SQ201410420875
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月25日 優先權日:2014年8月25日
【發明者】孫美, 王長健, 李猛, 許毅, 孫志華, 王宏, 儀健華 申請人:西安近代化學研究所