一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量方法，解決了激光多普勒測速儀法和粒子圖像測速儀法僅能測量羽流中粒子的速度，不能測量真實羽流流速的問題。發動機點火后，可調諧半導體激光穿過排氣羽流，由待測氣體特征吸收峰的多普勒位移大小反演出羽流的流速。本發明可直接測得推進劑裝藥排氣羽流的真實流速，不需向推進劑中添加示蹤粒子。本發明適用于不同種類的固體、液體、膠體和膏體推進劑裝藥的排氣羽流流速測量，對于推進劑配方的優化、推進劑裝藥設計和發動機的設計具有重要的意義。
【專利說明】
-種推進劑裝藥排氣羽流流速測量方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種流速測量方法，適用于推進劑排氣測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 推進劑裝藥排氣羽流是推進劑在點火后通過發動機噴管排出的燃燒和裂解產物， 其中包含了煙霧和火焰，也伴隨著激烈的物理和化學變化過程，如端流、電子激發、電離W 及二次燃燒。推進劑裝藥排氣羽流的流速大小及其變化特征是反映推進劑和發動機性能的 重要參數，在推進劑配方優化、推進劑裝藥設計W及發動機設計中扮演著重要的角色。
[0003] 目前，用于測量推進劑裝藥排氣羽流流速的主要方法有激光多普勒測速儀法(LDV 法)和粒子圖像測速儀法(PIV法）。其中，使用LDV法測量排氣羽流流速時，羽流中的粒子通 過兩束激光的交點時將兩束激光形成的干設條紋逐條反射，光電檢測器則依據所檢測到的 干設條紋輸出相應電壓信號。由于電壓變化的多普勒頻率僅與粒子的速度、激光波長和光 束夾角有關，即可根據已知的激光波長和光束夾角計算出粒子的運動速度。PIV法則使用激 光將流場中的示蹤粒子照亮，并利用相機在極短的時間內捕捉獲得兩幅粒子分布圖像。通 過一定的軟件算法比較兩幅圖像中粒子的位移，獲得流場的速度分布。可見，LDV法和PIV法 均是通過測量流體中粒子(固體顆粒或是液滴)的運動速度來表征流體的流速。LDV法和PIV 法測速對粒子的依賴使得它們對燃燒產物中粒子含量較低的推進劑的測量效果欠佳，需要 額外引入示蹤粒子。此外，流體的真實流速與流體中粒子的運動速度不可能完全一致;當流 體的流速變化較快時，流體中粒子的速度變化會有明顯的延遲。因此，LDV和PIV法所測得的 粒子運動速度并非排氣羽流的真實流速。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量方法，W克服現有技術存 在的不能精確表征推進劑裝藥排氣羽流流速的缺陷。
[000引可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS，Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy)利用半導體激光的窄帶寬和可調諧特性對特定的氣體進行掃描，根據氣體 吸收峰的多普勒頻移反演出流體的流速。該方法基于多普勒效應，對于W-定速度運動的 氣體分子，其特征吸收峰會出現一定的多普勒平移A V。 , ， ， ！"ind
[0006] Δ￥ =- e
[0007] 其中，c為光速、u為氣體的流速、VO為氣體的特征吸收中屯、頻率、θ為激光與氣體運 動方向夾角的余角。依據頻移的大小即可計算出氣體的流速。利用該方法可W精確的測量 推進劑裝藥排氣羽流中氣體的運動速度，該速度即為排氣羽流的真實流速。因此，該方法適 用于不同固體、液體、膠體和膏體推進劑裝藥排氣羽流流速的測量。
[0008] 本發明使用一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，其包括可調諧半導體激光 器、激光器控制系統、光學系統、數據采集和處理單元。所述激光器控制系統由信號發生器、 電流控制模塊和激光器溫度控制模塊組成;信號發生器產生類銀齒波信號，電流控制模塊 依據該信號向可調諧半導體激光器供給類銀齒波形狀變化的調諧電流;激光器溫度控制模 塊用于將半導體激光器的溫度穩定在其最佳工作溫度范圍內；確保半導體激光器正常工 作，產生具有特定中屯、波長和一定波長分布的激光;光學系統包括激光分束器、收發光機 (包括激光發射探頭、激光發射光機、激光接收光機）、探測器、流速標定模塊、測量工裝和光 纖;激光分束器將激光器產生的激光分為相同的Ξ束;激光發射探頭和發射光機使其中兩 束激光從特定方向穿過排氣羽流，隨后到達相應激光接收光機;探測器將接收光機處的激 光信號轉變為電信號；流速標定模塊則可通過干設給出激光器出光頻率隨時間的變化規 律，用于流速的計算;測量工裝為上述光學模塊提供安裝平臺，測量工裝的流速測量范圍為 0~3000m/s，測量精度為±5%，對待測氣體的最小檢測濃度為O.lppm。光纖則作為激光傳 輸的通道。數據采集和處理單元包括測量模塊、數據處理模塊和數據管理模塊;測量模塊對 探測器的數據進行采集，數據處理模塊則依據測量模塊提供的數據對羽流流速進行實時計 算并繪制出羽流流速的變化曲線，數據管理模塊可保存羽流流速數據并導出".txt"文件用 于其他軟件的分析處理。
[0009] 羽流流速測量實現過程如下：
[0010] (1)根據待測推進劑的成分確定測量的目標氣體；目標氣體選擇待測推進劑燃燒 的主要氣體產物，并選定目標氣體的待測吸收峰;選擇中屯、波長位于目標氣體待測吸收峰 的激光器用于流速測量;依據實驗要求確定流速測量點距發動機噴口的距離；
[001。 （2)測量前，控制環境溫度為10°C~30°C，相對濕度40%~70% ;將TDLAS推進劑裝 藥排氣羽流流速測量裝置的激光分束器輸入端光纖接頭連接至所選定的激光器的輸出法 蘭接口，分束器的輸出端光纖接頭則接至激光發射光機，使激光發射光機所發射的激光對 準探測器，同時確保兩束激光的交點位于發動機噴口的中軸線上;最后將探測器的輸入信 號線與數據采集系統連接;待測量裝置連接完畢后，即可通電對裝置的工作狀態進行檢查， 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;若儀器工作狀態正常，即可開 始推進劑裝藥排氣羽流流速測量實驗；
[0012] (3)將推進劑裝藥裝入測試發動機，安裝到發動機測試臺架上;調整羽流流速測試 工裝的位置，使流速測量點距噴口的距離為所選值;隨后連接發動機點火線，設置羽流流速 的采樣速率并啟動，并于10s后點火;發動機工作結束后，關閉檢通開關和點火開關，保存測 量數據;測量結束后，關閉電源，卸下激光器、激光分束器、探測器，使用酒精或光纖清洗液 清潔光纖接頭端面，用鏡頭紙擦拭光路上的窗口，最后將儀器設備收入專用收納箱中；
[0013] (4)測試所得數據為".txt"文件，記錄測量開始后不同時刻氣體的流速。W此文件 作圖，即可獲得推進劑裝藥的排氣羽流流速隨時間的變化曲線。推進劑裝藥的平均羽流流 速(；)則通過對推進劑穩定燃燒段的燃速取平均而得，即：
[0014]
[0015] (5)測量結果的表述:對于一種推進劑裝藥，平行測量5個樣品的羽流流速，依據格 拉布斯(Grubbs)準則，在置信度為95%時，剔除異常數據并補做1個樣品。若連續補做2個樣 品都有異常值，則運組數據無效，重新開始測量。采用5個樣品平均羽流流速的平均值來表 述推進劑裝藥排氣羽流流速測量結果，有效位數保留至小數點后一位。該推進劑裝藥的羽 流流速隨時間的變化規律則使用5條曲線中典型的一條進行描述。
[0016] 本發明所使用的TDLAS推進劑裝藥羽流流速測量裝置需定期校準，W確保測試結 果的精確度。校準使用專業校準風桐進行，校準所用流速為l〇〇m/s、200m/s和300m/s，校準 周期為一年。
[0017] 本發明相比現有的測量方法，具有下述優點：
[0018] 1.本發明通過測量推進劑裝藥排氣羽流中氣體的運動速度來表征排氣羽流流速， 所獲得的數值為羽流的真實流速，而非LDV法和PIV法所測得的羽流中粒子的運動速度。
[0019] 2.本發明測量推進劑羽流流速不依賴于羽流中的粒子(固體粒子和液滴），不需要 引入示蹤粒子，適用于不同種類的固體、液體、膠體和膏體推進劑羽流流速測量。
【附圖說明】
[0020] 圖1雙鉛2推進劑裝藥排氣羽流流速測量曲線。
[0021] 圖2含A1改性雙基推進劑裝藥排氣羽流流速測量曲線。
[0022] 圖3肥PE推進劑裝藥排氣羽流流速測量曲線。
【具體實施方式】
[0023] 依據推進劑裝藥排氣羽流流速測量方法的特點，該方法包括實驗參數的確定、測 量前的準備、測量、測量后的數據處理W及測量結果的表述共五個步驟。
[0024] 步驟一、實驗參數的確定:在進行推進劑裝藥排氣羽流流速測量之前，首先根據待 測推進劑的成分確定測量的目標氣體。目標氣體選擇相應推進劑燃燒的主要氣體產物，例 如水化0)、碳的氧化物(C〇2、C0等）、氮的氧化物(N02、NO、化0等）、硫的氧化物（S〇2、S〇3等）、 氯的氧化物(Cl〇2等)和氯化氨化Cl)等。選定目標氣體之后，根據實驗要求選擇合適的待測 特征吸收峰;選定特征吸收峰后，即可選擇中屯、波長位于該待測吸收峰的激光器用于流速 測量。
[0025] 步驟二、測量前的準備:測量前需要進行環境溫度和濕度控制，環境溫度應為10°C ~30°C，相對濕度應為40%~70% ;將TDLAS推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置的激光分束 器輸入端光纖接頭連接至所選定的激光器的輸出法蘭接口，分束器的輸出端接至激光發射 光機，使激光發射光機所發射的激光對準探測器，同時確保兩束激光的交點位于發動機噴 口的中軸線上;最后將探測器的輸入信號線與數據采集系統連接;待測量裝置連接完畢后， 即可通電對裝置的工作狀態進行檢查，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;若儀器工作狀態正常，即可開展推進劑裝藥排氣羽流流速測量實驗。
[0026] 步驟Ξ、測量:將推進劑裝藥裝入測試發動機，隨后將發動機安裝到發動機測試臺 架上;調整羽流流速測試工裝的位置，使激光的交點距發動機噴口的距離為所選長度;隨后 連接發動機點火線，設置羽流流速的采樣速率并啟動，并于10s后點火;發動機工作結束后， 關閉檢通開關和點火開關，保存測量數據；測量結束后，關閉電源，卸下激光器、激光分束 器、探測器，使用酒精或光纖清洗液清潔光纖接頭端面，用鏡頭紙擦拭光路上的窗口，最后 將儀器設備收入專用收納箱中。
[0027] 步驟四、數據處理:測量所得數據為".txt"文件，記錄測量開始后不同時刻氣體的 流速。W此文件作圖，即可獲得推進劑裝藥排氣羽流流速隨時間變化的曲線。圖1、圖2和圖3 分別是雙鉛2推進劑裝藥、含A1改性雙基推進劑裝藥和NEPE推進劑裝藥的羽流流速隨時間 的變化曲線。推進劑的平均羽流流速（云）則通過對推進劑穩定燃燒段（即圖1、圖2和圖3中 兩條黑色虛線豎線間的區域)的流速取平均而得，即：
[002引
[0029]步驟五、測量結果的表述:對于一種推進劑裝藥，平行測量5個樣品的羽流流速，依 據格拉布斯(GriAbs)準則，在置信度為95%時，剔除異常數據并補做1個樣品。若連續補做2 個樣品都有異常值，則運組數據無效，重新開始測量。采用5個樣品平均羽流流速的平均值 來表述推進劑裝藥排氣羽流流速測量結果，有效位數保留至小數點后一位。該推進劑裝藥 的羽流流速隨時間的變化規律則使用5條曲線中典型的一條進行描述。
【主權項】
1. 一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 根據待測推進劑的成分確定測量的目標氣體，并選定目標氣體的待測吸收峰;選擇 中心波長位于目標氣體待測吸收峰的激光器用于流速測量，依據實驗要求確定流速測量點 距發動機噴口的距離； (2) 溫度10 °C~30 °C，相對濕度40 %~70 %，將激光分束器輸入端光纖接頭連接至所選 定的激光器的輸出法蘭接口，分束器的輸出端光纖接頭接至激光發射光機，使激光發射光 機所發射的激光對準探測器，同時確保兩束激光的交點位于發動機噴口的中軸線上;將探 測器的輸入信號線與數據采集系統連接，通電開始排氣羽流流速測量實驗； (3) 將推進劑裝藥裝入測試發動機，調整羽流流速測試工裝的位置，使流速測量點距噴 口的距離為所選值;連接發動機點火線，設置羽流流速的采樣速率并啟動，并于l〇s后點火； 發動機工作結束后，保存測量數據； (4) 數據處理：以測量數據作圖，即可獲得排氣羽流流速隨時間的變化曲線，推進劑裝 藥的平均羽流流速通過對推進劑穩定燃燒段的η個流速值取平均而得； (5) 測量結果的表述:平行測量5個樣品的羽流流速，依據格拉布斯準則，剔除異常數 據，采用平均羽流流速的平均值來表述推進劑裝藥羽流流速測量結果，該推進劑裝藥的羽 流流速隨時間的變化規律則使用5條曲線中典型的一條來表述。2. 根據權利要求1所述的一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量方法，其特征在于所述測 量裝置的校準使用專業校準風洞進行，校準所用流速為l〇〇m/s、200m/s和300m/s。
【文檔編號】G01P5/26GK105823903SQ201610164273
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月22日
【發明人】楊燕京, 孫美, 儀建華, 景建斌, 趙鳳起, 羅陽, 金輝, 姚德龍, 許毅, 王長健, 孫志華, 安亭, 解珍珍
【申請人】西安近代化學研究所