王艷平, 曾 丹, 李素靈, 劉 英, 張同來

(1. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2. 兵器工業(yè)安全技術(shù)研究所, 北京 100053 )

1 引 言

近年來,隨著火藥品種的發(fā)展和性能要求的不斷提高,針對(duì)火藥燃燒及溫度測(cè)量方法的研究受到廣泛關(guān)注,也成為含能材料及武器制造等領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。鑒于火藥燃燒過程是以熱輻射為主的物理化學(xué)反應(yīng)過程,具有燃速快、溫度高等特點(diǎn),目前燃燒溫度測(cè)量技術(shù)主要有熱電偶、光譜輻射和光學(xué)測(cè)溫等方法[1-4],如Klein、Aller和薩赫等[5]研究提出了利用熱電偶測(cè)溫的方法測(cè)定固體推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)燃燒區(qū)的溫度分布; 李占英等[6]研究提出了多光譜輻射測(cè)溫技術(shù)測(cè)量火工煙火藥劑燃燒溫度; 余斌等[7]利用光學(xué)瞬態(tài)高溫計(jì)開展了發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒溫度的試驗(yàn)研究。但是,由于火藥燃燒是高溫瞬態(tài)的過程,且有燃燒轉(zhuǎn)爆轟的安全風(fēng)險(xiǎn),因此,火藥燃燒火焰溫度測(cè)量技術(shù)發(fā)展受到諸多因素限制和困擾,如熱電偶法受到高熔點(diǎn)熱電偶材料、熱電偶測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間較慢等因素影響的限制,導(dǎo)致其有時(shí)不能捕捉到被測(cè)火藥的燃燒溫度; 光學(xué)測(cè)溫法則因受高發(fā)射率波長(zhǎng)的限制、以及難以測(cè)得溫度分布規(guī)律、測(cè)試裝置較復(fù)雜等諸多問題影響,使其測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確[8-9]。由此可知,能否準(zhǔn)確測(cè)量火藥燃燒溫度,不僅直接影響火藥及武器裝備的設(shè)計(jì)和研制,更對(duì)火藥生產(chǎn)與儲(chǔ)存過程的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。

為了準(zhǔn)確測(cè)量火藥高溫瞬態(tài)的燃燒溫度、研究其燃燒溫度分布規(guī)律、不斷提升燃燒溫度測(cè)定準(zhǔn)確性和技術(shù)水平,利用熱傳感技術(shù)靈敏度高和響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì),研究提出了寬波段熱輻射溫度測(cè)量方法,設(shè)計(jì)并研制了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的燃燒火焰熱輻射溫度測(cè)量系統(tǒng)。同時(shí),通過測(cè)量不同質(zhì)量條件下的單基發(fā)射藥燃燒火焰表面溫度,驗(yàn)證了火焰寬波段熱輻射溫度測(cè)量系統(tǒng)的可行性、合理性和可靠性。這不僅豐富了火藥燃燒溫度測(cè)定方法,也為火藥燃燒性能及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 寬波段熱輻射溫度測(cè)量原理與方法

2.1 測(cè)量基本原理

寬波段熱輻射溫度測(cè)量主要根據(jù)黑體輻射理論和輻射熱傳導(dǎo)原理[10],采用熱傳感器技術(shù)測(cè)量燃燒火焰表面在垂直方向的熱輻射強(qiáng)度,按照蘭貝特定律(Lambert)和波爾茲曼定律[9]計(jì)算得出所測(cè)燃燒區(qū)的寬波段熱輻射總量和燃燒區(qū)的溫度。

2.2 測(cè)量方法研究

由于火藥燃燒表面絕對(duì)輻射強(qiáng)度測(cè)量較困難,故采用與火藥燃燒表面幾何觀察因素相同的參比黑體,根據(jù)相同溫度下火藥燃燒表面與參比黑體單色輻射的關(guān)系(火焰表面視為朗伯源),在忽略熱對(duì)流和接觸熱傳導(dǎo)的影響下,結(jié)合測(cè)溫裝置的各參數(shù)值和測(cè)得的熱輻射通量值,即可計(jì)算燃燒火焰表面被測(cè)量區(qū)域的平均溫度值。火藥燃燒寬波段熱輻射測(cè)溫方法具體如圖1所示。

圖1 火藥燃燒寬波段熱輻射測(cè)溫方法示意圖

Fig.1 Schematic diagram of broadband thermal radiation temperature measurement method for propellant combustion

圖1中,S0、S1為燃燒火焰表面被測(cè)量的區(qū)域;L0是傳感器測(cè)量表面到套管口的距離,L1為測(cè)溫套管口至火焰表面的距離;D0、D1分別是傳感器測(cè)量表面直徑和套管內(nèi)徑。

在自由場(chǎng)測(cè)試條件下,當(dāng)R1?L1,且D1-D0?L0時(shí),被測(cè)量的區(qū)域S0、S1的半徑R0、R1遠(yuǎn)小于火焰半徑,則可近似將所測(cè)燃燒表面S0、S1視為平面,如圖2所示。

圖2 被測(cè)量區(qū)域燃燒表面平面圖

Fig.2 The combustion plan of measuring area

由火藥燃燒表面幾何觀察圖,所測(cè)燃燒表面S0、S1的半徑分別為:

(1)

(2)

面積分別為:

(3)

(4)

式中,S0是熱輻射能量傳導(dǎo)到熱通量傳感器全部表面的區(qū)域,m2。

所測(cè)燃燒表面S1呈帶狀區(qū)域,其任何點(diǎn)的熱輻射能量傳導(dǎo)到傳感器局部表面,且所處位置的半徑越大,傳導(dǎo)到熱通量傳感器表面越小,因此,區(qū)域S1面積可用等效面積來表示:

利用幾何假設(shè)法,近似得到面積與角度的函數(shù)關(guān)系式:

(5)

式中,ρ0為常數(shù),當(dāng)測(cè)量精度要求不高時(shí),可將ρ=ρ0。

根據(jù)斯特芬-波爾茲曼定律和蘭貝特(Lambert)定律[9],單位微元的在半球空間的輻射力E為:

式中,σ0=5.67×10-8W·m-2·K-1為黑體輻射系數(shù)。E與熱通量F有如下關(guān)系:

式中,S是輻射微元面積,m2,D是輻射源在垂直方向距離,m,由此可得:

(6)

綜上,寬波段熱輻射溫度測(cè)量方法是利用測(cè)溫套管及熱傳感器的幾何尺寸及角度關(guān)系,確定了測(cè)溫區(qū)域及熱輻射接收條件,在合理優(yōu)化幾何系數(shù)等影響因素下,研究設(shè)計(jì)了燃燒火焰溫度測(cè)量系統(tǒng)。

3 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

3.1 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)寬波段熱輻射溫度測(cè)量方法,結(jié)合自由場(chǎng)條件下的火藥燃燒情況,利用自行研制的測(cè)溫套管、HFM-6D/H型熱通量傳感器(Heat Flux Microsensor)、16通道高速數(shù)據(jù)采集儀、放大器、計(jì)算機(jī)、同步控制系統(tǒng)和同軸電纜等儀器裝置設(shè)計(jì)了溫度測(cè)量系統(tǒng),具體如圖3所示。

其中,測(cè)溫套管是整套測(cè)溫系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其內(nèi)表面直徑D1=9.2 mm,表面直徑D0=5.2 mm; HFM-6D/H型熱通量傳感器是整套測(cè)溫系統(tǒng)的核心,其響應(yīng)時(shí)間為0.3 ms,最低靈敏度8 μW·cm-2; 傳感器測(cè)量表面至套管口距離為L(zhǎng)0=95 mm,套管口距火焰L1=3 m; DH5960型數(shù)據(jù)記錄儀具有數(shù)據(jù)采集、記錄、分析功能,帶寬為1 MHz; AMP 6型放大器最大電壓增益5000,最大帶寬1 MHz; 同步控制系統(tǒng)采用12 V斷通式外觸發(fā),以保證溫度測(cè)量系統(tǒng)的瞬態(tài)準(zhǔn)確性。

圖3 寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

Fig.3 Design of broadband thermal radiation temperature measurement system

3.2 測(cè)溫系統(tǒng)的調(diào)試

根據(jù)火藥燃燒過程以熱輻射為主,利用標(biāo)定的凹形鏡面燈作為源,采用德國(guó)生產(chǎn)的超高速紅外測(cè)溫儀(KLEIBER KMGA 740,響應(yīng)時(shí)間為10 μs; 溫度范圍為350～3500 K),與寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室比對(duì)。由于這兩套測(cè)溫系統(tǒng)得到的測(cè)試結(jié)果都是標(biāo)準(zhǔn)源熱輻射的等效溫度,故可保證系統(tǒng)調(diào)試的合理性和可靠性。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)射率為1,對(duì)比分析寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)和紅外測(cè)溫系統(tǒng)兩套裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度值。圖4顯示,兩種測(cè)試方法結(jié)果基本一致,偏差率在1.2%～3.3%(以紅外測(cè)溫系統(tǒng)為基準(zhǔn)),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。根據(jù)結(jié)果,修正公式(5)中參數(shù)ρ0值為1。

圖4 兩套溫度測(cè)量系統(tǒng)溫度誤差對(duì)比

Fig.4 The diagram of two temperature measuring systems temperature error contrast

4 測(cè)試結(jié)果與分析

在自由場(chǎng)條件下測(cè)試單基發(fā)射藥(配方: 硝化棉,二苯胺乙醚和酒精等)燃燒時(shí)的火焰表面溫度,寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)布置于燃燒中心3 m處,分別對(duì)1，3，5，10 kg等4種藥量進(jìn)行測(cè)試,每種藥量進(jìn)行5次溫度測(cè)量取測(cè)量結(jié)果的平均值,熱通量測(cè)試波形典型曲線如圖5所示,其中選取波峰值,即每次試驗(yàn)熱通量最大值。根據(jù)公式(6),進(jìn)行溫度計(jì)算,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5 單基發(fā)射藥熱通量測(cè)試典型波形

Fig.5 Thermal waveform of heat flux test for single-base propellant burning

從測(cè)試曲線看,熱通量值隨著單基發(fā)射藥的燃燒時(shí)間不斷攀升,當(dāng)達(dá)到峰值后,又快速下降并趨于基態(tài),且上升時(shí)間與下降時(shí)間大致相同。由此可知,寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)可清晰測(cè)出單基發(fā)射藥的溫度變化情況。

表1 寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量發(fā)射藥火焰表面溫度最大值

Table 1 The maximum values of the flame temperature of the measured burning propellant

dosage/kgmaximumtemperatureofsingle?basepropellantflame/℃No．1No．2No．3No．4No．5averagestd．dev．1157215541538155615101546213163417381536155016531622735166915841574160017291631591017431740168418011774174839

由上可知,不同藥量的火焰表面溫度,隨著藥量不斷增加,溫度值逐步增大,說明寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映溫度變化,寬波段熱輻射測(cè)溫方法與系統(tǒng)具有可行性; 相同藥量的5次測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性較好,且溫度值波動(dòng)范圍控制在7%以內(nèi),說明寬波段熱輻射測(cè)溫系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性; 從測(cè)試數(shù)據(jù)的溫度值看,單基發(fā)射藥燃燒火焰表面溫度在自由場(chǎng)條件下在1500～1800 ℃,溫度數(shù)據(jù)與理論計(jì)算[11]較吻合。

4 結(jié) 論

(1)寬波段熱輻射溫度測(cè)量方法是一種非接觸式的高溫瞬態(tài)測(cè)溫法,可測(cè)量波長(zhǎng)從零到整個(gè)光譜范圍內(nèi)的總輻射強(qiáng)度及溫度,實(shí)現(xiàn)了近距離測(cè)量火藥燃燒火焰溫度的目標(biāo),從而為含能材料燃燒爆炸場(chǎng)熱輻射測(cè)量及熱毀傷效應(yīng)研究提供了一種溫度測(cè)量方法。

(2)寬波段熱輻射溫度測(cè)量方法在合理優(yōu)化系數(shù)和忽略熱對(duì)流等影響因素條件下,能夠避免由于能量譜峰值波長(zhǎng)隨溫度升高而藍(lán)移造成的單波段(或2波段)測(cè)量不準(zhǔn)確等問題,試驗(yàn)測(cè)量單基發(fā)射藥燃燒溫度為1500～1800 ℃,驗(yàn)證了溫度測(cè)量系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地測(cè)試出重復(fù)性較好的數(shù)據(jù),且整體系統(tǒng)(如熱通量傳感器)在測(cè)試中溫升較小,具有測(cè)量溫度范圍寬、響應(yīng)時(shí)間短、傳輸距離遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn),在瞬態(tài)高溫測(cè)試領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì),具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 郭學(xué)永, 李斌, 王連炬, 等. 溫壓藥劑的爆炸溫度場(chǎng)測(cè)量及熱輻射效應(yīng)研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2008, 28(5): 119-124.

GUO Xue-yong, LI Bin, WANG Lian-ju, et al. Measurement of blast temperature field and study of thermal radiation effect for thermo-baric explosive[J].JournalofProjectiles.Rockets,MissilesandGuidance, 2008, 28(5): 119-124.

[2] 馬紅, 徐繼東, 朱長(zhǎng)春, 等. 密封容器內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn)瞬態(tài)溫度測(cè)試技術(shù)[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2014, 12(5): 750-756.

MA Hong, XU Ji-dong, ZHU Chang-chun, et al. Transient temperature testing technology of explosion experiment in airtight container[J].JournalofTerahertzScienceandElectronicInformationTechnology, 2014, 12(5): 750-756.

[3] 李彥. 原子發(fā)射光譜雙譜線法測(cè)量火工藥劑燃燒溫度[D]. 太原: 中北大學(xué), 2015.

LI Yan. Flame Temperature Measurement of Pyrotechnics Using Atomic Emission Two-line Method[D]. Taiyuan: North University of China, 2015.

[4] 季偉. 遠(yuǎn)距離寬范圍溫度信號(hào)測(cè)試技術(shù)研究[D]. 太原: 中北大學(xué), 2015.

JI Wei. The study of wide range temperature signal remote measurement technique[D]. Taiyuan: North University of China, 2015.

[5] 王伯羲, 馮增國(guó), 楊榮杰. 火藥燃燒理論[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社,1997.

WANG Bo-xi, FENG Zeng-guo, YANG Rong-jie. Gunpowder combustion theory[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1997.

[6] 李占英, 席蘭霞, 陳軍, 等. 多光譜輻射測(cè)溫技術(shù)測(cè)量火工煙火藥劑燃燒溫度[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2010, 30(8): 2062-2064.

LI Zhan-ying, XI Lan-xia, CHEN Jun, et al. Study on flame temperature measurement of pyrotechnics using multi-spectral thermometer[J].SpectroscopyandSpectralAnalysis, 2010, 30(8): 2062-2064.

[7] 余斌, 杜成中. 發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒測(cè)溫技術(shù)探索研究[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2001(2): 28-31.

YU Bin, DU Cheng-zhong. Study on the temperature determination technique for ignition and combustion of propellants[J].ChineseJournalofExplosivesandPropellants, 2001(2): 28-31.

[8] 阿格拉沃爾. 高能材料(火藥、炸藥和煙火藥)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.

Jai Prakash Agrawal. High Energy Materials(Propellants,Explosives and Pyrotechnics)[M]. Beijing: National Defend Industry Press, 2013.

[9] 張茹開. 爆炸瞬態(tài)溫度測(cè)試方法研究[D]. 太原: 中北大學(xué), 2013.

ZHANG Ru-kai. Research on explosion transient temperature measurement[D]. Taiyuan: North University of China, 2013.

[10] 戴景民. 多光譜輻射測(cè)溫理論與應(yīng)用[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.

DAI Jing-min. Theory and practice of multi-spectral thermometry[M]. Beijing: Higher Education Press, 2002.

[11] 廖靜林, 江勁勇, 路桂娥, 等. 發(fā)射藥的火焰燃燒溫度計(jì)算與測(cè)定分析[J]. 含能材料, 2011, 19(1): 74-77.

LIAO Jing-lin, JIANG Jin-yong, LU Gui-e, et al. Calculation and measurement analysis of propellant burning temperature[J].ChineseJournalofEnergeticMaterial(HannengCailiao), 2011, 19(1): 74-77.