姚 路，姚德龍，儀建華，闞瑞峰，楊燕京，許振宇，阮 俊，劉建國(guó)

(1. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；2. 中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200；3.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

?

基于TDLAS的固體推進(jìn)劑裝藥羽流流速測(cè)量方法

姚 路1，姚德龍2，儀建華3，闞瑞峰1，楊燕京3，許振宇1，阮 俊1，劉建國(guó)1

(1. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；2. 中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200；3.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

介紹了一種基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)的固體推進(jìn)劑裝藥羽流流速測(cè)量新方法。選用推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物H2O分子在1392nm處的吸收譜線，通過(guò)頻率標(biāo)定、交叉布置光路，利用多普勒頻移效應(yīng)可反演流速。在靜態(tài)試驗(yàn)中對(duì)比了羽流流速特性曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)曲線，驗(yàn)證了該技術(shù)用于固體推進(jìn)劑裝藥羽流流速測(cè)量的可行性。研制了緊湊型測(cè)量樣機(jī)，采用鋰電池供電，響應(yīng)時(shí)間30ms，質(zhì)量2kg，功耗小于5W，在線反演流速并存儲(chǔ)結(jié)果。進(jìn)行隨火箭橇飛行的動(dòng)態(tài)測(cè)試，獲得了有效的羽流流速結(jié)果。結(jié)果表明，TDLAS技術(shù)可用于測(cè)量隨發(fā)動(dòng)機(jī)飛行的動(dòng)態(tài)羽流流速，是獲取推進(jìn)劑裝藥實(shí)時(shí)在線燃燒狀態(tài)參數(shù)的有效途徑。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜；TDLAS；固體推進(jìn)劑裝藥；羽流流速

引 言

固體推進(jìn)劑裝藥在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒生成的產(chǎn)物通過(guò)噴管排出，形成排氣羽流。排氣羽流場(chǎng)的特征與發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)劑的性能密切相關(guān)，作為流場(chǎng)的基本物理量，研究流速及其分布對(duì)于深入認(rèn)識(shí)流場(chǎng)的特性至關(guān)重要，可為發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和推進(jìn)劑配方的優(yōu)化提供參考依據(jù)[1]。

現(xiàn)有的推進(jìn)劑排氣羽流流速測(cè)量技術(shù)可分為接觸式和非接觸式。由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒羽流高溫、高速等特點(diǎn)，測(cè)速管、熱線風(fēng)速儀等傳統(tǒng)接觸式測(cè)量雖然結(jié)構(gòu)可靠，但響應(yīng)時(shí)間慢、空間分辨率低，且易于干擾流場(chǎng)，難以獲取真實(shí)的流場(chǎng)信息[2]。非接觸式測(cè)量主要以光學(xué)手段為主，如粒子圖像測(cè)速法(PIV)[3]、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)[4]等可實(shí)現(xiàn)快速、高空間分辨的流場(chǎng)測(cè)量，但通常需要加入示蹤粒子，由于燃燒瞬間的不可控性，難以使示蹤粒子均勻分布于流場(chǎng)中，且粒子信號(hào)易被較強(qiáng)的火焰輻射信號(hào)湮沒(méi)，測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性也限制了其應(yīng)用。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)通過(guò)測(cè)量燃燒產(chǎn)物中某種分子的吸收光譜特征，根據(jù)多普勒效應(yīng)建立的光譜頻移和分子速度之間的關(guān)系來(lái)獲得氣流流速，具有非入侵、快速響應(yīng)、高光譜分辨、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，并可以實(shí)現(xiàn)溫度、組分濃度、速度等多參數(shù)同時(shí)在線測(cè)量[5]。

目前，TDLAS技術(shù)已經(jīng)在風(fēng)洞、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室出口流速測(cè)量方面得到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視。斯坦福大學(xué)高溫氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室 Hanson等[6-7]在TDLAS 技術(shù)的流場(chǎng)測(cè)量方面處于領(lǐng)先地位， 目前已經(jīng)將 TDLAS 系統(tǒng)成功地應(yīng)用到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)中,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣道質(zhì)量流量捕獲測(cè)量和尾噴口流速、組分測(cè)量。Kent[8]將氣體流速和濃度測(cè)量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了氧氣質(zhì)量捕獲測(cè)量。Shawn[9]將TDLAS技術(shù)用于高超聲速氣流流速測(cè)量，利用H2O吸收線測(cè)得大于10馬赫的高速氣流。美國(guó)空軍WPAFB實(shí)驗(yàn)室和Southwest Sciences，Zolo Technologies公司合作，將該技術(shù)用于高超聲速?lài)?guó)際飛行研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(HIFiRE)，并開(kāi)發(fā)出多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的TDLAS小型化便攜系統(tǒng)，在緊湊的封裝內(nèi)可在線測(cè)量組分、溫度、流速等參數(shù)[10]。賈良權(quán)等[11]以760nm處的O2吸收譜線作為測(cè)量對(duì)象，實(shí)現(xiàn)高速流場(chǎng)的質(zhì)量流量捕獲測(cè)量。李飛等[12]使用TDLAS技術(shù)研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室入口和燃燒室內(nèi)的流速、溫度、濃度等參數(shù)的測(cè)量。

取決其視線測(cè)量的原理，TDLAS技術(shù)需要光束傳輸路徑上無(wú)明顯干擾，如大顆粒遮擋光路、大折射率梯度引起光路偏折等因素，都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響，故多用于純氣體測(cè)量環(huán)境。而固體推進(jìn)劑裝藥燃燒產(chǎn)物中通常包含粉塵、顆粒等擋光因素。本研究首次探索了TDLAS技術(shù)在該場(chǎng)合的應(yīng)用，在固體推進(jìn)劑裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)出口處布置交叉光路，利用直接吸收技術(shù)，選取燃燒產(chǎn)物之一的H2O分子位于1392nm處的單根吸收譜線，進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)用于固體推進(jìn)劑裝藥羽流流速測(cè)量的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 測(cè)量原理

1.1.1 TDLAS直接吸收測(cè)量原理

當(dāng)強(qiáng)度為I0、頻率為υ的光束通過(guò)一段氣體介質(zhì)時(shí)，吸收會(huì)使光強(qiáng)發(fā)生衰減，根據(jù)Beer-Lambert定律，對(duì)于單成分待測(cè)氣體分子，定義吸光度A(υ)為:

(1)

=S(T)pXL

(2)

根據(jù)式(2)，積分后的吸光度不依賴(lài)于線型函數(shù)，根據(jù)積分面積即可反演出氣體的壓強(qiáng)p、濃度X或與溫度相關(guān)的S(T)，簡(jiǎn)化了算法復(fù)雜度，提高了對(duì)測(cè)量環(huán)境的普適性。直接吸收原理如圖1所示[13]。

圖1 直接吸收技術(shù)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of direct absorption technique

1.1.2 流速測(cè)量原理

根據(jù)多普勒頻移原理，當(dāng)氣流流速在激光傳輸方向上存在速度分量時(shí)，運(yùn)動(dòng)的氣體分子接收到光子表觀頻率與實(shí)際激光發(fā)生頻率υ0之間有一定偏移，二者頻率之差即為多普勒頻移Δυ。通常采用雙光路測(cè)量方法，見(jiàn)圖2，當(dāng)光路對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，兩條光路上探測(cè)器接收到的激光頻移大小通過(guò)式(3)計(jì)算

(3)

式中：υ0為吸收譜線中心頻率；u為氣體流速；c為光速，流速計(jì)算中取3×108m/s；θ為光束和流速垂直方向的夾角。

實(shí)際測(cè)量中，對(duì)原始光強(qiáng)信號(hào)做基線擬合扣除背景，得到兩條光路上的吸光度曲線，通過(guò)頻率定標(biāo)和峰值擬合后，即可得到如圖3所示的譜線頻差。

圖2 雙光路流速測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic diagram of double optical paths for flow velocity measuring

圖3 雙光束頻差示意圖Fig.3 Schematic diagram of double optical beam frequency difference

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中使用的雙基和改性雙基推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)物中均有水分子存在，故選取H2O分子在1392nm附近的吸收譜線用于流速測(cè)量。

TDLAS流速系統(tǒng)分為光學(xué)收發(fā)和測(cè)量控制兩部分，前者包括抗振動(dòng)的光機(jī)收發(fā)結(jié)構(gòu)，在燃燒區(qū)域?qū)崿F(xiàn)雙光束的準(zhǔn)直發(fā)射和聚焦接收，后者實(shí)現(xiàn)電子學(xué)控制功能，如激光器控制、探測(cè)器信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集和算法處理等，系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。光束夾角90°，光束交叉點(diǎn)距離發(fā)動(dòng)機(jī)出口30cm，為減少燃燒區(qū)域兩側(cè)靜態(tài)空氣中的H2O吸收干擾，在不干擾流場(chǎng)的前提下光程需盡可能縮短，參考對(duì)燃燒羽流寬度的經(jīng)驗(yàn)值，光束沿流速垂直方向?qū)挾葹?0cm。

試驗(yàn)中選用NanoPlus DFB(Distributed Feed-Back)激光器，設(shè)置工作溫度為30℃，中心出光波長(zhǎng)1391.7nm，調(diào)節(jié)激光器注入電流范圍，使其波長(zhǎng)掃描范圍約為0.3nm，掃描重復(fù)頻率為1kHz。掃描波形為占空比99%的鋸齒，激光器平均出光功率為3mW。經(jīng)由分束器分束后，分別經(jīng)過(guò)自主設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直器出射。接收端利用感光面直徑3mm的InGaAs探測(cè)器接收，前級(jí)I-V轉(zhuǎn)換增益103V/A，帶寬2MHz，主控芯片選用MCU STM32F407，Cortex M4F內(nèi)核，最高主頻168MHz，集成硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元，利用片上ADC完成光譜數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換采集，采樣率設(shè)置為800kHz，采樣精度12bits。每個(gè)掃描周期采集點(diǎn)數(shù)為800，取16個(gè)周期數(shù)據(jù)累加平均，理論可提高2位有效位數(shù)。在線進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，響應(yīng)時(shí)間30ms，得到的流速結(jié)果存儲(chǔ)在板載Flash中，試驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)由主控芯片將數(shù)據(jù)讀出。小型化系統(tǒng)使用四節(jié)18650鋰電池供電，功耗小于5W，采用割線方式觸發(fā)采集。

圖4 雙光束直接吸收法測(cè)速示意圖Fig.4 Schematic diagram of velocity measuring with double optical beam and direct absorption technique

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)定結(jié)果及雙光路光譜信號(hào)

在反演流速時(shí)，需要得到兩條光路上吸收峰值在頻率域的偏移量，而由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集到的波形數(shù)據(jù)為時(shí)域信號(hào)，需要對(duì)激光器在其出光范圍內(nèi)進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定，獲取每個(gè)采樣點(diǎn)上的相對(duì)頻率，從而進(jìn)行流速反演。波長(zhǎng)標(biāo)定通常利用干涉計(jì)實(shí)現(xiàn)，獲取的原始干涉信號(hào)見(jiàn)圖5，其中相鄰干涉峰值之間的波長(zhǎng)變化為干涉計(jì)的自由光譜范圍(FSR)，通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)做背景扣除、尋峰、擬合后，得到采樣點(diǎn)數(shù)和相對(duì)頻率之間的關(guān)系如圖6所示。利用最小二乘法擬合，并將標(biāo)定過(guò)程中采樣點(diǎn)數(shù)壓縮至與小型化樣機(jī)中采樣點(diǎn)數(shù)一致，選用高次擬合關(guān)系，得到相對(duì)波數(shù)υ(n)=( 8.36709879×10-5×n3-0.206195211×n2+ 28.0125375×n-477.432750)/29979.2，其中n為采樣點(diǎn)數(shù)，在擬合峰值位置后，其取值并不局限于整數(shù)，υ(n)單位cm-1。

圖5 波長(zhǎng)標(biāo)定中的原始干涉信號(hào)Fig.5 Raw interference signal of wavenumber calibrating

圖6 激光器出光波長(zhǎng)的頻率標(biāo)定曲線Fig.6 Frequency calibrating curve of the laser output

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，對(duì)零流速進(jìn)行了測(cè)量驗(yàn)證，搭建光程近似相等的平行雙光路，在沒(méi)有流速時(shí)輸出各自光路上的原始信號(hào)和吸光度信號(hào),如圖7所示。首先對(duì)吸光度信號(hào)做粗略峰值查找，定位至整數(shù)峰值點(diǎn)后，對(duì)該點(diǎn)左右小范圍內(nèi)(20個(gè)點(diǎn))做最小二乘擬合，擬合后的二次函數(shù)最值點(diǎn)作為最終吸收峰值位置，用于流速計(jì)算。

圖7 零流速時(shí)雙光束的原始信號(hào)和吸收峰相對(duì)位置Fig.7 Raw spectral signal and relative index of absorption peak under zero velocity

由圖7可知，在零流速狀態(tài)下，多普勒頻移量約為0.0015cm-1，換算得流速為45m/s，該頻移可作為系統(tǒng)本底偏移，在測(cè)量中進(jìn)行扣除。

2.2 測(cè)量原理可行性驗(yàn)證

首先，在火箭橇靜止?fàn)顟B(tài)下，分別測(cè)量了雙基推進(jìn)劑和改性雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速，并與同時(shí)測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知，測(cè)得的羽流流速曲線與壓強(qiáng)曲線變化趨勢(shì)一致，其中雙基推進(jìn)劑流速在點(diǎn)火初始時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)峰值，隨后流速緩慢上升至位于0.9～1.39s的穩(wěn)定區(qū)，整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中平均流速為831.8m/s；改性雙基推進(jìn)劑裝藥流速在達(dá)到1100m/s后直接達(dá)到位于0.33～0.88s的穩(wěn)定區(qū)，并且在該時(shí)段內(nèi)緩慢下降，整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程平均流速為1057.5m/s。由于流速測(cè)量的響應(yīng)速度遠(yuǎn)小于壓強(qiáng)采樣速率，部分快速變化的細(xì)節(jié)并沒(méi)有及時(shí)測(cè)量到。另外，由于流速測(cè)量位置位于發(fā)動(dòng)機(jī)出口后30cm處，而壓強(qiáng)曲線變化直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部情況，故從測(cè)得曲線上可以看出，流速響應(yīng)滯后于壓強(qiáng)變化[1]。

圖8 雙基推進(jìn)劑裝藥和改性雙基推進(jìn)劑裝藥燃燒過(guò)程中羽流流速和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Change in plume velocity and pressure in the combustion chamber with time for double-base propellant charge and composite modified double-base propellant charge

通過(guò)對(duì)比可知，TDLAS技術(shù)在該測(cè)量場(chǎng)合能真實(shí)反映出流速的變化趨勢(shì)，從流速測(cè)量結(jié)果可以推測(cè)出壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了該技術(shù)在固體推進(jìn)劑裝藥流速測(cè)量中的可行性。

2.3 在線測(cè)量試驗(yàn)

利用前文提到的小型化測(cè)量樣機(jī)，搭載火箭橇，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)集成鋰電池供電，可持續(xù)工作2h。試驗(yàn)中，前2s先由助推火箭將火箭橇加速至240m/s，然后發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作0.5s，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)束后，借助軌道上的水袋使火箭橇減速至靜止。試驗(yàn)中記錄的雙光路多普勒頻移和羽流流速測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖9，從圖9(b)可看出，在0～2s內(nèi)，速度近似線性加速至240m/s，在第2s時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，流速上升至穩(wěn)定區(qū)，平均流速1249.8m/s；0.5s后，推進(jìn)劑裝藥燃燒結(jié)束，流速降至助推末段的240m/s，并接近勻速保持到第4s到達(dá)水袋時(shí)刻，由于水袋破裂，大量液態(tài)水遮擋光路，第4s后數(shù)據(jù)無(wú)效。

圖9 試驗(yàn)過(guò)程中的多普勒頻移和測(cè)得的羽流流速曲線Fig.9 The Doppler shift curve and measured plume velocity curve in experiment

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，TDLAS技術(shù)作為一種非接觸式光學(xué)測(cè)量手段，利用燃燒產(chǎn)物H2O分子位于1392nm處的吸收譜線，可有效測(cè)量固體推進(jìn)劑裝藥羽流流速，且羽流流速變化和發(fā)動(dòng)機(jī)壓強(qiáng)變化具有一致特征，為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)提供了一項(xiàng)新的測(cè)量參數(shù)。

(2)TDLAS技術(shù)借助其結(jié)構(gòu)緊湊、低功耗、易集成等特點(diǎn)，可用于開(kāi)展隨發(fā)動(dòng)機(jī)飛行的動(dòng)態(tài)羽流流速測(cè)量，是獲取實(shí)時(shí)在線燃燒狀態(tài)參數(shù)的一個(gè)有效途徑，小型化羽流流速測(cè)量系統(tǒng)為后期在線測(cè)量方案提供了參考。

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Measurement Method of Plume Velocity for Solid Propellant Charge Based on TDLAS

YAO Lu1, YAO De-long2, YI Jian-hua3, KAN Rui-feng1, YANG Yan-jing3, XU Zhen-yu1, RUAN Jun1, LIU Jian-guo1

(1.Key Lab of Environment Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China; 2. Test and Measurement Academy, China North Industries Group, Huayin Shaanxi 714200, China; 3.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

A new method based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS) was introduced to measure the plume velocity of solid propellant charge, which was achieved by selecting one absorption line near 1392nm of the major combustion product-H2O through frequency calibration, cross arrangement of optical path, and using the Doppler frequency shift effect. In the static state test, the characteristic curves of the plume velocity and the pressure curve in the combustion chamber were compared, the feasibility of the technique for the measurement of the plume velocity of solid propellant was verified. A compact measurement prototype was developed, which is powered by lithium battery, the response time is 30ms, the mass is 2kg, the power consumption is less than 5W, the velocity is measured online and the result is stored.The dynamic test flight on the rocket sled was carried out,and the available results of plume velocity were obtained.The results show that TDLAS can be used to measure the dynamic plume velocity and it is an effective process for obtaining the online combustion parameters.

tunable diode laser absorption spectroscopy; TDLAS; solid propellant charge; plume velocity

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.005

2016-07-14；

2016-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 61205151)

姚路(1987-)，男，博士，從事激光光譜測(cè)量及診斷技術(shù)研究。E-mail: lyao@aiofm.ac.cn

TJ55;V512

A

1007-7812(2016)05-0035-05