輻射測溫法在SRM尾焰溫度測試中的發(fā)展趨勢

任泌青 仇士勝 程博 張翠萍 高偉

【摘要】 本文介紹了紅外熱像儀測溫法、CCD圖像傳感器測溫法、多光譜測溫法等輻射測溫法在固體火箭發(fā)動機尾焰溫度測試中的應(yīng)用，并討論了各自的優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】 固體火箭發(fā)動機尾焰 紅外熱像儀 CCD 多光譜

一、引言

固體火箭發(fā)動機尾焰是一種高溫、高壓、高速的兩相流，其尾焰溫度及其分布的測量，在型號研制試驗過程中，具有十分重要的基礎(chǔ)意義。對于研究固體推進(jìn)劑的燃燒和發(fā)動機內(nèi)流場的特性，以及對于應(yīng)用高能固體推進(jìn)劑、研究低特征固體推進(jìn)劑具有重要意義[1]。另外，導(dǎo)彈武器的隱身技術(shù)和突防能力也要求對固體火箭發(fā)動機尾焰溫度、尾焰溫度場和紅外熱輻射等特征有所了解。

二、紅外熱像儀測溫技術(shù)

紅外熱像儀測溫技術(shù)是當(dāng)今迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一，現(xiàn)已在軍事、工程、民用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。紅外熱像儀測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是普朗克定律，所用波長主要集中在紅外光0.76μm～1000μm，是通過非接觸來探測紅外能量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值[2]，還可對發(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識別和嚴(yán)格分析。紅外熱像儀測溫技術(shù)是窄譜輻射成像測量技術(shù)，影響因素較多，在固體火箭發(fā)動機尾焰溫度測試中，大氣吸收、太陽光是影響尾焰溫度測試精度的主要因素，但尾焰發(fā)射率是影響紅外熱像儀測溫精度的最大不確定因素。由于紅外熱像儀自身的不足，所獲得的圖像是表征景物溫度場的分布，是灰度圖像，分辨率低，視覺效果差，清晰度低于可見光圖像；紅外圖像的信噪比比普通圖像低，探測單元的響應(yīng)特性不一致。在對固體火箭發(fā)動機尾焰溫度進(jìn)行現(xiàn)場測試時，適合尾焰溫度變化趨勢的測試，更適合于測量發(fā)動機殼體、噴管及前后封頭溫度的變化情況及變化趨勢的測量，有助于在試驗過程中出現(xiàn)殼體燒穿、爆炸等事故的技術(shù)歸零。

三、CCD測溫技術(shù)

① CCD單色測溫法。單色測溫法是利用單一波長光線的輻射能量與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行測溫[4]。這種方法需在很窄的波段內(nèi)實現(xiàn)，導(dǎo)致探測器接收的能量太小而無法產(chǎn)生足夠的響應(yīng)，并且未知發(fā)射率的變化帶來很大誤差。由于尾焰所發(fā)射的光波單色性較差，在工程應(yīng)用中受到很多限制。但利用黑體爐標(biāo)定，并對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，利用擬合曲線對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來獲得尾焰溫度的方法，在尾焰溫度測試工程應(yīng)用中取得了良好試驗效果，但測溫精度相對較低。

② CCD比色測溫法。根據(jù)熱輻射物體在兩個或兩個以上波長的光譜輻射亮度之比與溫度之間的函數(shù)關(guān)系來測量溫度的方法[4]。在利用CCD比色測溫法對為尾焰溫度進(jìn)行測試時，可減小由尾焰發(fā)射率變化帶來的測溫誤差，相對于單色測溫法測量精度有所提高，但測溫范圍較窄，適用性不強。

③ CCD三基色測溫法。三基色測溫法是利用CCD攝像機輸出的紅、綠、藍(lán)三個等效波長的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到被測物體的輻射溫度。利用三基色測溫法對尾焰溫度進(jìn)行測量時，與CCD比色測溫法相比，可以進(jìn)一步減小由尾焰的發(fā)射率變化帶來的測溫誤差，但測溫范圍變得更窄。

四、多光譜輻射測溫技術(shù)

在測量固體火箭發(fā)動機尾焰溫度時，無論是使用紅外熱像儀測溫技術(shù)還是CCD測溫技術(shù)，測得的不是尾焰的真實溫度，只是分別為亮度溫度或輻射溫度等。要想獲得固體火箭發(fā)動機尾焰的真實溫度，必須知道尾焰的發(fā)射率（黑度系數(shù)），才可求得尾焰的真實溫度。多光譜輻射測溫法，即在一個儀器中制成多個光譜通道，利用多個光譜的物體輻射亮度的測量信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理而得到物體的溫度和材料光譜發(fā)射率，也可同時測量目標(biāo)真實溫度及材料光譜發(fā)射率的非接觸測溫方法，也可作為多參數(shù)動態(tài)熱物性測試的重要儀器，用以測量試樣的發(fā)射率、熔點、比熱和熱膨脹等[5]。多光譜輻射測溫法不需要任何輔助設(shè)備和附加信息，對被測對象也無特殊要求，因而特別適合尾焰溫度的真溫及發(fā)射率的同時測量，盡管目前其理論還不夠完善，但在工程應(yīng)用中已表現(xiàn)出了極好的發(fā)展前景，且測溫精度相對較高。但采用多光譜輻射測溫法對尾焰溫度進(jìn)行測量時，輻射溫度儀標(biāo)定技術(shù)的好壞直接影響測溫精度。

五、結(jié)束語

在利用輻射測溫法對固體火箭發(fā)動機尾焰溫度進(jìn)行測試時，從單波長逐步向多波長發(fā)展，測溫精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性都在不斷提高，測溫范圍也在不斷延伸。在今后的工程應(yīng)用中，可利用接觸式測溫法對非接觸測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，來減小尾焰發(fā)射率和現(xiàn)場環(huán)境對測溫精度的影響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]賀博、龔曉紅、林輝、葉玉春.紅外熱像儀在固體火箭發(fā)動機羽焰測溫中的應(yīng)用[J].固體火箭技術(shù)，2005，28（2）.

[2]李翔、張亮. CCD技術(shù)在發(fā)動機溫度場測試中的應(yīng)用研究[J].航空兵器，2012（2）：33-36.

[3]張光喜、周為民、張鋼錘、南寶江.固體火箭發(fā)動機尾焰流場特性研究 [J].固體火箭技術(shù)，2008，31（1）：19-23.

[4]張亮. 基于 CCD 圖像傳感器的溫度測量技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文， 2008.

[5]戴景民. 多光譜輻射測溫技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文， 1995.