基于TDLAS的固體推進劑裝藥羽流流速測量方法

姚 路，姚德龍，儀建華，闞瑞峰，楊燕京，許振宇，阮 俊，劉建國

(1. 中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室，安徽光學(xué)精密機械研究所，安徽 合肥 230031；2. 中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200；3.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065)

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基于TDLAS的固體推進劑裝藥羽流流速測量方法

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1

(1. 中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室，安徽光學(xué)精密機械研究所，安徽 合肥 230031；2. 中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200；3.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點實驗室，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)的固體推進劑裝藥羽流流速測量新方法。選用推進劑燃燒產(chǎn)物H2O分子在1392nm處的吸收譜線，通過頻率標(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)試驗中對比了羽流流速特性曲線和發(fā)動機內(nèi)壓強曲線，驗證了該技術(shù)用于固體推進劑裝藥羽流流速測量的可行性。研制了緊湊型測量樣機，采用鋰電池供電，響應(yīng)時間30ms，質(zhì)量2kg，功耗小于5W，在線反演流速并存儲結(jié)果。進行隨火箭橇飛行的動態(tài)測試，獲得了有效的羽流流速結(jié)果。結(jié)果表明，TDLAS技術(shù)可用于測量隨發(fā)動機飛行的動態(tài)羽流流速，是獲取推進劑裝藥實時在線燃燒狀態(tài)參數(shù)的有效途徑。

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

引 言

固體推進劑裝藥在發(fā)動機燃燒室內(nèi)燃燒生成的產(chǎn)物通過噴管排出，形成排氣羽流。排氣羽流場的特征與發(fā)動機及推進劑的性能密切相關(guān)，作為流場的基本物理量，研究流速及其分布對于深入認識流場的特性至關(guān)重要，可為發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和推進劑配方的優(yōu)化提供參考依據(jù)[1]。

現(xiàn)有的推進劑排氣羽流流速測量技術(shù)可分為接觸式和非接觸式。由于發(fā)動機燃燒羽流高溫、高速等特點，測速管、熱線風(fēng)速儀等傳統(tǒng)接觸式測量雖然結(jié)構(gòu)可靠，但響應(yīng)時間慢、空間分辨率低，且易于干擾流場，難以獲取真實的流場信息[2]。非接觸式測量主要以光學(xué)手段為主，如粒子圖像測速法(PIV)[3]、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)[4]等可實現(xiàn)快速、高空間分辨的流場測量，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中，且粒子信號易被較強的火焰輻射信號湮沒，測量系統(tǒng)的復(fù)雜性也限制了其應(yīng)用?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)通過測量燃燒產(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，并可以實現(xiàn)溫度、組分濃度、速度等多參數(shù)同時在線測量[5]。

目前，TDLAS技術(shù)已經(jīng)在風(fēng)洞、發(fā)動機進氣道、燃燒室出口流速測量方面得到了國內(nèi)外研究機構(gòu)的重視。斯坦福大學(xué)高溫氣體動力學(xué)實驗室 Hanson等[6-7]在TDLAS 技術(shù)的流場測量方面處于領(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)動機飛行實驗中,實現(xiàn)了進氣道質(zhì)量流量捕獲測量和尾噴口流速、組分測量。Kent[8]將氣體流速和濃度測量相結(jié)合，實現(xiàn)了氧氣質(zhì)量捕獲測量。Shawn[9]將TDLAS技術(shù)用于高超聲速氣流流速測量，利用H2O吸收線測得大于10馬赫的高速氣流。美國空軍WPAFB實驗室和Southwest Sciences，Zolo Technologies公司合作，將該技術(shù)用于高超聲速國際飛行研究實驗項目(HIFiRE)，并開發(fā)出多參數(shù)同時測量的TDLAS小型化便攜系統(tǒng)，在緊湊的封裝內(nèi)可在線測量組分、溫度、流速等參數(shù)[10]。賈良權(quán)等[11]以760nm處的O2吸收譜線作為測量對象，實現(xiàn)高速流場的質(zhì)量流量捕獲測量。李飛等[12]使用TDLAS技術(shù)研究了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室入口和燃燒室內(nèi)的流速、溫度、濃度等參數(shù)的測量。

取決其視線測量的原理，TDLAS技術(shù)需要光束傳輸路徑上無明顯干擾，如大顆粒遮擋光路、大折射率梯度引起光路偏折等因素，都會給測量結(jié)果帶來影響，故多用于純氣體測量環(huán)境。而固體推進劑裝藥燃燒產(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)在該場合的應(yīng)用，在固體推進劑裝藥發(fā)動機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，進行了靜態(tài)和動態(tài)測量試驗，驗證了該技術(shù)用于固體推進劑裝藥羽流流速測量的可行性。

1 實 驗

1.1 測量原理

1.1.1 TDLAS直接吸收測量原理

當(dāng)強度為I0、頻率為υ的光束通過一段氣體介質(zhì)時，吸收會使光強發(fā)生衰減，根據(jù)Beer-Lambert定律，對于單成分待測氣體分子，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于線型函數(shù)，根據(jù)積分面積即可反演出氣體的壓強p、濃度X或與溫度相關(guān)的S(T)，簡化了算法復(fù)雜度，提高了對測量環(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，運動的氣體分子接收到光子表觀頻率與實際激光發(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。通常采用雙光路測量方法，見圖2，當(dāng)光路對稱布置時，兩條光路上探測器接收到的激光頻移大小通過式(3)計算

(3)

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

實際測量中，對原始光強信號做基線擬合扣除背景，得到兩條光路上的吸光度曲線，通過頻率定標(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 試驗裝置

試驗中使用的雙基和改性雙基推進劑的燃燒產(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量。

TDLAS流速系統(tǒng)分為光學(xué)收發(fā)和測量控制兩部分，前者包括抗振動的光機收發(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，后者實現(xiàn)電子學(xué)控制功能，如激光器控制、探測器信號處理、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°，光束交叉點距離發(fā)動機出口30cm，為減少燃燒區(qū)域兩側(cè)靜態(tài)空氣中的H2O吸收干擾，在不干擾流場的前提下光程需盡可能縮短，參考對燃燒羽流寬度的經(jīng)驗值，光束沿流速垂直方向?qū)挾葹?0cm。

試驗中選用NanoPlus DFB(Distributed Feed-Back)激光器，設(shè)置工作溫度為30℃，中心出光波長1391.7nm，調(diào)節(jié)激光器注入電流范圍，使其波長掃描范圍約為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)過自主設(shè)計的準(zhǔn)直器出射。接收端利用感光面直徑3mm的InGaAs探測器接收，前級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，集成硬件浮點運算單元，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。每個掃描周期采集點數(shù)為800，取16個周期數(shù)據(jù)累加平均，理論可提高2位有效位數(shù)。在線進行光譜數(shù)據(jù)處理與計算，響應(yīng)時間30ms，得到的流速結(jié)果存儲在板載Flash中，試驗結(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

在反演流速時，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)為時域信號，需要對激光器在其出光范圍內(nèi)進行波長標(biāo)定，獲取每個采樣點上的相對頻率，從而進行流速反演。波長標(biāo)定通常利用干涉計實現(xiàn)，獲取的原始干涉信號見圖5，其中相鄰干涉峰值之間的波長變化為干涉計的自由光譜范圍(FSR)，通過對干涉信號做背景扣除、尋峰、擬合后，得到采樣點數(shù)和相對頻率之間的關(guān)系如圖6所示。利用最小二乘法擬合，并將標(biāo)定過程中采樣點數(shù)壓縮至與小型化樣機中采樣點數(shù)一致，選用高次擬合關(guān)系，得到相對波數(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 波長標(biāo)定中的原始干涉信號Fig.5 Raw interference signal of wavenumber calibrating

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

在實驗室環(huán)境中，對零流速進行了測量驗證，搭建光程近似相等的平行雙光路，在沒有流速時輸出各自光路上的原始信號和吸光度信號,如圖7所示。首先對吸光度信號做粗略峰值查找，定位至整數(shù)峰值點后，對該點左右小范圍內(nèi)(20個點)做最小二乘擬合，擬合后的二次函數(shù)最值點作為最終吸收峰值位置，用于流速計算。

圖7 零流速時雙光束的原始信號和吸收峰相對位置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，在測量中進行扣除。

2.2 測量原理可行性驗證

首先，在火箭橇靜止?fàn)顟B(tài)下，分別測量了雙基推進劑和改性雙基推進劑裝藥的羽流流速，并與同時測到的發(fā)動機工作壓強進行對比，結(jié)果見圖8。由圖8可知，測得的羽流流速曲線與壓強曲線變化趨勢一致，其中雙基推進劑流速在點火初始時刻產(chǎn)生一個峰值，隨后流速緩慢上升至位于0.9～1.39s的穩(wěn)定區(qū)，整個點火過程中平均流速為831.8m/s；改性雙基推進劑裝藥流速在達到1100m/s后直接達到位于0.33～0.88s的穩(wěn)定區(qū)，并且在該時段內(nèi)緩慢下降，整個點火過程平均流速為1057.5m/s。由于流速測量的響應(yīng)速度遠小于壓強采樣速率，部分快速變化的細節(jié)并沒有及時測量到。另外，由于流速測量位置位于發(fā)動機出口后30cm處，而壓強曲線變化直接反映發(fā)動機的內(nèi)部情況，故從測得曲線上可以看出，流速響應(yīng)滯后于壓強變化[1]。

圖8 雙基推進劑裝藥和改性雙基推進劑裝藥燃燒過程中羽流流速和發(fā)動機內(nèi)壓強隨時間的變化曲線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

通過對比可知，TDLAS技術(shù)在該測量場合能真實反映出流速的變化趨勢，從流速測量結(jié)果可以推測出壓強的變化趨勢，驗證了該技術(shù)在固體推進劑裝藥流速測量中的可行性。

2.3 在線測量試驗

利用前文提到的小型化測量樣機，搭載火箭橇，進行動態(tài)測量實驗。樣機集成鋰電池供電，可持續(xù)工作2h。試驗中，前2s先由助推火箭將火箭橇加速至240m/s，然后發(fā)動機開始工作0.5s，發(fā)動機燃燒結(jié)束后，借助軌道上的水袋使火箭橇減速至靜止。試驗中記錄的雙光路多普勒頻移和羽流流速測量結(jié)果見圖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時刻，發(fā)動機開始工作，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到達水袋時刻，由于水袋破裂，大量液態(tài)水遮擋光路，第4s后數(shù)據(jù)無效。

圖9 試驗過程中的多普勒頻移和測得的羽流流速曲線Fig.9 The Doppler shift curve and measured plume velocity curve in experiment

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過靜態(tài)和動態(tài)試驗驗證，TDLAS技術(shù)作為一種非接觸式光學(xué)測量手段，利用燃燒產(chǎn)物H2O分子位于1392nm處的吸收譜線，可有效測量固體推進劑裝藥羽流流速，且羽流流速變化和發(fā)動機壓強變化具有一致特征，為衡量發(fā)動機燃燒狀態(tài)提供了一項新的測量參數(shù)。

(2)TDLAS技術(shù)借助其結(jié)構(gòu)緊湊、低功耗、易集成等特點，可用于開展隨發(fā)動機飛行的動態(tài)羽流流速測量，是獲取實時在線燃燒狀態(tài)參數(shù)的一個有效途徑，小型化羽流流速測量系統(tǒng)為后期在線測量方案提供了參考。

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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

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(No. 61205151)

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

TJ55;V512

A

1007-7812(2016)05-0035-05