吳迎春，卓 著，吳世曦，周重洋，秦 釗，楊燕京，趙鳳起，吳學(xué)成

(1.浙江大學(xué) 清潔能源利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所 航天化學(xué)動力技術(shù)重點實驗室，湖北 襄陽 441002；3.西安近代化學(xué)研究所 陜西 西安 710065)

引 言

固體推進劑是固體火箭發(fā)動機的動力來源，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、小型衛(wèi)星、空間飛行器等領(lǐng)域[1-2]。其性能的優(yōu)劣決定了推進設(shè)備的動力性能，因此在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展中起到十分重要的作用。傳統(tǒng)的固體推進劑主要由高能有機物及強氧化劑組成，不僅要求具有優(yōu)異的熱釋放性能，同時還要求具有較高的單位體積質(zhì)量或單位體積能量。另外，由于金屬及其化合物粉末具有較高的燃燒熱值，開始被廣泛地應(yīng)用到固體推進劑中。目前，常用于固體推進劑中的金屬燃料包括Be、B、Mg、Al和Zr等[3-4]。其中，Al又憑借其儲量大、成本低、無毒、高熱值、高密度等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。

多年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對固體推進劑燃燒特性展開過充分研究[6-10]。傳統(tǒng)的推進劑燃燒診斷方法有產(chǎn)物收集法[11]和直接成像法[12]。產(chǎn)物收集法通過收集燃燒產(chǎn)物并進行后續(xù)的成分分析來得到推進劑燃燒相關(guān)信息，因此，其較常用于惡劣工況及寬壓強范圍的實驗研究。但是該方法只能獲得燃燒結(jié)束時的產(chǎn)物信息，無法實現(xiàn)燃燒過程中信息的提取。直接成像法通過成像手段來拍攝燃燒場的動態(tài)演變過程，可以直觀地反映出燃燒過程中顆粒燃燒和火焰等動態(tài)行為變化過程。但鑒于惡劣的燃燒環(huán)境，該方法一般無法對火焰進行穿透成像，在微觀層次上的觀測也在很大程度上受限于成像景深，只能捕捉到一些在焦平面上的信息。另外，紋影法[13]和陰影法[14]等一些其他成像方法也經(jīng)常被應(yīng)用于燃燒診斷中，但是基本上都屬于二維瞬態(tài)測量成像方法，無法獲得燃燒過程中顆粒的三維信息。除此之外，干涉成像技術(shù)也是一類實用的診斷方法，不同于上述的成像方法，這類方法能夠在一定程度上擺脫火焰的干擾，且具有一定的三維成像能力，數(shù)字全息技術(shù)是其中一種典型代表。近年來由于數(shù)字全息技術(shù)具有三維、瞬態(tài)、實時和多參數(shù)等諸多測量優(yōu)勢，在推進劑燃燒診斷方面展現(xiàn)出了強大的應(yīng)用潛力，并且通過結(jié)合其他測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加全面的推進劑燃燒診斷。Chen等[15]利用數(shù)字同軸全息技術(shù)和熱成像技術(shù)研究固體推進劑中鋁顆粒的燃燒。以含鋁AP/HTPB推進劑為研究對象，通過數(shù)字同軸全息技術(shù)對鋁顆粒尺寸和速度進行了測量，同時通過雙色成像測溫法對推進劑燃燒過程中的溫度場進行了測量。金秉寧等[16]通過數(shù)字全息技術(shù)對固體推進劑鋁燃燒過程進行了三維動態(tài)測量，通過追蹤動態(tài)燃燒過程中的鋁顆粒，得到了顆粒粒徑、粒徑分布、顆粒運動速度、燃燒火焰區(qū)域以及氧化帽的動態(tài)生成過程等信息。

本研究采用高速數(shù)字離軸全息技術(shù)研究了Al/AP/HTPB推進劑燃燒過程，并從一系列時間分辨的全息圖中研究了推進劑燃燒過程中鋁顆粒的三維分布和運動過程，分析了燃燒過程中鋁顆粒的典型行為。相比于同軸數(shù)字全息技術(shù)，離軸數(shù)字全息技術(shù)不存在孿生像的干擾，重建圖像更為清晰。同時，離軸全息配置使得參考光能夠繞開火焰，在一定程度上消除了火焰所帶來的像差。研究表明高速數(shù)字離軸全息三維成像技術(shù)在固體推進劑燃燒時間分辨三維可視化研究方面具有較強的實用性，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

離軸數(shù)字全息系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 離軸全息系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the off-axis holography system

離軸全息系統(tǒng)主要由激光器、空間濾波器、分束立方、反射鏡、濾光片以及相機等組成。實驗中所采用的激光器是波長為532nm的連續(xù)激光器。激光器發(fā)出的激光首先經(jīng)過空間濾波器及透鏡進行濾波、擴束和準(zhǔn)直后得到直徑約為50mm的均勻平行激光束。之后，平行激光束通過分束立方體，分成兩束平行激光，一束為透射激光，另一束為反射激光。透射激光經(jīng)過固體推進劑燃燒場，與經(jīng)過反射鏡兩次反射的反射激光束在相機前方的分束立方體處耦合。之后兩束激光束被高速攝像機記錄下來。透射激光照射燃燒場中的顆粒，產(chǎn)生的散射光在離軸全息中被用作物波。反射激光束被用作獨立參考光。通過旋轉(zhuǎn)相機前方分束立方體可以調(diào)整參考光的角度，從而得到合適的離軸角度。實驗中所使用的高速相機的分辨率為1280×800像素，相機的記錄頻率為25000幀/秒，曝光時間為4μs。高速相機前采用了放大倍率為2.7倍的放大鏡頭，得到的全息圖像其等效像素大小為10.4μm。為了抑制燃燒的鋁顆粒引起的強輻射干擾，相機鏡頭前面安裝了一個窄帶濾光片，中心波長為532nm，半高寬為7nm。本實驗中固體推進劑的燃燒過程是在開放環(huán)境下空氣中常溫常壓的情況下進行的。

1.2 推進劑樣品

實驗中采用的固體推進劑屬于自制樣品，主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：13%黏合劑、17%Al、60%AP以及10%RDX，其中AP、Al、RDX粒徑分別為130～450μm、(29±2)μm、20μm；HTPB為I型。每次試驗所采用的燃燒樣品為5mm×5mm×10mm的矩形狀長條。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

離軸全息結(jié)果圖可以通過角譜重建法進行重建，從而得到在某一深度位置范圍內(nèi)的重建圖像，見式(1)：

(1)

(2)

式中：(fx,fy)為頻域坐標(biāo)。

然后，三維顆粒場沿著深度方向逐步重建。因為顆粒與背景有很高的對比度，因此通過閾值算法檢測顆粒。然后用Tenengrad的局部方差來確定顆粒的深度位置。深度方向的定位精度在數(shù)百微米[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒場全息圖像重建

離軸全息原始圖像如圖2所示。圖2(a)顯示了推進劑燃燒瞬間的原始全息圖，可以看到其條紋清晰且對比度較高。圖2(b)分別為圖2(a)中紅色虛線矩形標(biāo)記區(qū)域的重建顆粒圖像。紅色虛線矩形標(biāo)記區(qū)域的重建顆粒在z軸方向上分別聚焦在284.4、404.3以及324.9mm處。3個顆粒在z軸跨度上較大，說明固體推進劑的燃燒劇烈，顆粒噴濺范圍大，這與實際中觀察一致。離軸全息技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的成像景深，這是一般的成像方法所不具備的。同時，圖2(b)的重建圖像不存在孿生像干擾，可以得到清晰的顆粒重建圖像，這是離軸全息技術(shù)的一大優(yōu)點。另外，在推進劑燃燒過程中發(fā)現(xiàn)了3種典型燃燒現(xiàn)象，即燃燒過程中樣品表面的剝落現(xiàn)象，鋁顆粒的微爆炸現(xiàn)象以及可以觀察到燃燒顆粒的尾流與火焰面。最后通過數(shù)字離軸全息技術(shù)還能夠定量地對觀測到的鋁顆粒進行時間分辨的三維重建，從而得到燃燒鋁顆粒的等效粒徑、三維分布和軌跡的重建圖。

圖2 離軸全息原始圖像與重建圖像Fig.2 Off-axis holographic original image and reconstructed holograms

2.2 燃燒過程中樣品表面的剝落

圖3為同一推進劑燃燒情況下，不同時刻的全息重建圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在推進劑燃燒過程中組分會從推進劑樣品表面剝落分離。分離過程分為兩種，其中一種如圖3(a)所示。圖3(a)給出的一組全息重建圖為顆粒從樣品表面緩慢分離的情況，每張圖片間隔時間為0.4ms，顆粒從樣品表面分離的平均速度約為0.588m/s，分離的顆粒由圖中紅色虛線圓圈包圍的區(qū)域指出。另一種分離過程是顆粒以一個初速度迅速離開樣品表面，如圖3(b)所示。其給出了一組全息重建圖為顆粒從樣品表面以一定初速度分離的情況，每張圖所示間隔時間為0.12ms，顆粒從樣品表面分離的平均速度約為6.320m/s。顆粒以一定的初速度分離，可能是由于固體推進劑的不均勻性引起的。固體推進劑本身是通過將多種材料混合制成的，各個組分之間可能存在很小的縫隙。那么在燃燒過程中，這些縫隙相當(dāng)于一個個通道，通道內(nèi)存在空氣，在燃燒過程中，通道內(nèi)的空氣被加熱，導(dǎo)致壓力升高。并且由于高溫，AP和HTPB被熱解生成氧氣、氮氣、一氧化氮以及丁二烯等氣體，氣體的產(chǎn)生會引起壓力的快速升高，從而可以使顆粒獲得較高的初速度，導(dǎo)致顆粒以一定初速度離開推進劑表面。

圖3 顆粒剝離燃面的情況Fig.3 Particles stripping from the burning surface

2.3 微爆炸現(xiàn)象

一組推進劑燃燒過程中出現(xiàn)的顆粒團微爆炸現(xiàn)象如圖4所示。需要說明的是，圖4中的各個顆粒并非處于同一聚焦平面，而是經(jīng)過景深拓展算法處理后被提取到同一平面[17]。

圖4 微爆炸現(xiàn)象Fig.4 Micro-explosion phenomenon

圖4(a)為顆粒微爆炸前的顆粒圖像，并用紅色虛線圓圈標(biāo)記。燃燒過程中這兩個微顆粒/顆粒團發(fā)生了微爆炸，并迅速分裂為多個小碎片。圖4(b)是爆炸發(fā)生后，顆粒碎片的空間運動圖像。每兩張圖像之間的時間間隔為0.08ms。微爆炸發(fā)生的原因可能是由于在團聚鋁液滴內(nèi)部存在AP和HTPB成分。AP和HTPB在高溫下熱解并生成氣態(tài)產(chǎn)物，氣體的產(chǎn)生導(dǎo)致內(nèi)部壓力快速升高，從而使顆粒團產(chǎn)生微爆炸。其次，可能是由于AP熱解會產(chǎn)生氧化劑，產(chǎn)生的氧化劑促使反應(yīng)在顆粒團內(nèi)部發(fā)生，從而導(dǎo)致內(nèi)部壓力迅速升高，引起了微爆炸現(xiàn)象。同時，從物理性質(zhì)層面出發(fā)，推進劑成分中的鋁在燃燒過程中生成熔點極高的氧化鋁，其熔點大致為2327K。相比之下，熔融鋁的溫度大致為933K，因此當(dāng)氧化鋁產(chǎn)物沉積并附著在鋁液滴表面時，將對鋁進行加熱，這可能導(dǎo)致一部分液態(tài)鋁迅速蒸發(fā)，從而產(chǎn)生微爆炸。

2.4 尾流與火焰面

燃燒過程中捕捉到的燃燒的鋁顆粒尾焰如圖5所示。

圖5 燃燒顆粒尾焰Fig.5 The wake flame of the burning particle

圖5(a)為原始全息圖像；圖5(b)給出了重建后的圖像，可以很清晰地觀察到燃燒過程中鋁顆粒存在明顯的尾流。尾流主要由火焰構(gòu)成，其次是鋁燃燒過程中生成的凝相產(chǎn)物。凝相產(chǎn)物是氣態(tài)Al2O3放熱冷凝生成的液態(tài)產(chǎn)物，它在火焰的外層冷凝，同時凝相產(chǎn)物也會在燃燒鋁的表面沉積從而形成氧化帽[18]，這是鋁燃燒的一個典型特征。值得一提的是，由包裹在顆粒周圍的高溫火焰引起的折射率急劇梯度將帶來類似于透鏡的光學(xué)效應(yīng)，進而可能在全息重建顆粒圖像中引入像差。圖5(b)中重建顆粒的清晰圖像表明，采用離軸全息技術(shù)在一定程度上抑制了這種像差干擾，而在同軸全息中，火焰的這種光學(xué)效應(yīng)將導(dǎo)致內(nèi)部顆粒在重建時出現(xiàn)嚴(yán)重的失調(diào)，無法清晰準(zhǔn)確地重建出顆粒的輪廓。

此外，離軸全息技術(shù)還能夠定性地觀測到燃燒場中的熱波。圖6給出了一組全息圖像，其中圖6(a)為原始全息圖，每兩張圖像之間的時間間隔為1ms，圖6(b)為其中一張原始全息圖的重建圖。

圖6 燃燒顆?；鹧婷鍲ig.6 The flame surface of burning particles

在圖6(a)紅色虛線矩形標(biāo)記區(qū)域中可以觀察到多個白色的曲型波紋，這是燃燒場中經(jīng)常觀測到的擴散波。同樣，重建圖中可以看到對應(yīng)的深色輪廓。之所以能觀測到這種波紋，是因為曲型波紋具有相較周邊來說區(qū)別較大的折射率，因此它可以被視作為火焰前鋒或者為高溫的擴散波。這種曲型波紋現(xiàn)象在離軸全息記錄的過程中可以普遍觀察到。

2.5 顆粒三維重建

通過數(shù)字離軸全息技術(shù)還能夠定量地對觀測到的鋁顆粒進行時間分辨的三維重建。離軸全息技術(shù)所得到的高質(zhì)量的全息圖像，有利于在全息重建中對顆粒進行檢測和定位，然后從一系列的時間分辨全息圖中獲得顆粒粒徑大小和三維分布的演變。從數(shù)十張連續(xù)全息圖中重建得到的顆粒等效粒徑、三維分布和軌跡的重建圖像如圖7所示，所用于重建的連續(xù)全息圖其時間間隔為40μs。重建圖中不同時刻的顆粒場用不同顏色標(biāo)記，球體大小與顆粒的等效直徑成正比。

圖7 鋁顆粒的等效粒徑、三維分布和軌跡的示意圖Fig.7 Schematic of the equivalent particle size,3D distribution and trajectory of Al particles

由圖7可以看出，大多數(shù)顆粒向上移動，另外，一些顆粒運行軌跡在圖中是連續(xù)的，且與火焰的方向相同。通過對燃燒顆粒場進行時間分辨的三維重建，可以對顆粒場燃燒運動過程進行可視化研究。這些結(jié)果證明了用高速離軸全息對燃燒顆粒場進行時間分辨的三維成像能力。

3 結(jié) 論

(1)燃燒過程中燃燒顆粒從樣品表面剝離，其剝落分離過程分為緩慢剝離及存在一定初速度離開表面兩種。

(2)離開樣品表面的燃燒顆粒存在微爆炸現(xiàn)象，在燃燒過程中顆粒破碎并分為多個小顆粒繼續(xù)燃燒?？擅黠@觀察到燃燒顆粒存在的尾流火焰、火焰前鋒或高溫的擴散波。

(3)證明了高速數(shù)字離軸全息技術(shù)其在推進劑燃燒診斷中的實用性，為今后研究固體推進劑燃燒提供了一種有效的試驗手段與工具。