火藥燃燒寬波段熱輻射溫度測量方法研究

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)研究內(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),目前燃燒溫度測量技術(shù)主要有熱電偶、光譜輻射和光學(xué)測溫等方法[1-4],如Klein、Aller和薩赫等[5]研究提出了利用熱電偶測溫的方法測定固體推進(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溫技術(shù)測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)不能捕捉到被測火藥的燃燒溫度; 光學(xué)測溫法則因受高發(fā)射率波長的限制、以及難以測得溫度分布規(guī)律、測試裝置較復(fù)雜等諸多問題影響,使其測定結(jié)果不準(zhǔn)確[8-9]。由此可知,能否準(zhǔn)確測量火藥燃燒溫度,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,研究提出了寬波段熱輻射溫度測量方法,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量系統(tǒng)。同時(shí),通過測量不同質(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量原理與方法

2.1 測量基本原理

寬波段熱輻射溫度測量主要根據(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)算得出所測燃燒區(qū)的寬波段熱輻射總量和燃燒區(qū)的溫度。

2.2 測量方法研究

由于火藥燃燒表面絕對(duì)輻射強(qiáng)度測量較困難,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)合測溫裝置的各參數(shù)值和測得的熱輻射通量值,即可計(jì)算燃燒火焰表面被測量區(qū)域的平均溫度值?；鹚幦紵龑挷ǘ螣彷椛錅y溫方法具體如圖1所示。

圖1 火藥燃燒寬波段熱輻射測溫方法示意圖

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量的區(qū)域;L0是傳感器測量表面到套管口的距離,L1為測溫套管口至火焰表面的距離;D0、D1分別是傳感器測量表面直徑和套管內(nèi)徑。

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

圖2 被測量區(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量方法是利用測溫套管及熱傳感器的幾何尺寸及角度關(guān)系,確定了測溫區(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)了燃燒火焰溫度測量系統(tǒng)。

3 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

3.1 測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)寬波段熱輻射溫度測量方法,結(jié)合自由場條件下的火藥燃燒情況,利用自行研制的測溫套管、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)了溫度測量系統(tǒng),具體如圖3所示。

其中,測溫套管是整套測溫系統(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; 傳感器測量表面至套管口距離為L0=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),以保證溫度測量系統(tǒng)的瞬態(tài)準(zhǔn)確性。

圖3 寬波段熱輻射測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

Fig.3 Design of broadband thermal radiation temperature measurement system

3.2 測溫系統(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,采用德國生產(chǎn)的超高速紅外測溫儀(KLEIBER KMGA 740,響應(yīng)時(shí)間為10 μs; 溫度范圍為350～3500 K),與寬波段熱輻射測溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室比對(duì)。由于這兩套測溫系統(tǒng)得到的測試結(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溫系統(tǒng)和紅外測溫系統(tǒng)兩套裝置實(shí)驗(yàn)測得溫度值。圖4顯示,兩種測試方法結(jié)果基本一致,偏差率在1.2%～3.3%(以紅外測溫系統(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 測試結(jié)果與分析

在自由場條件下測試單基發(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)行測試,每種藥量進(jìn)行5次溫度測量取測量結(jié)果的平均值,熱通量測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,測試結(jié)果如表1所示。

圖5 單基發(fā)射藥熱通量測試典型波形

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

從測試曲線看,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,寬波段熱輻射測溫系統(tǒng)可清晰測出單基發(fā)射藥的溫度變化情況。

表1 寬波段熱輻射測溫系統(tǒng)測量發(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溫系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映溫度變化,寬波段熱輻射測溫方法與系統(tǒng)具有可行性; 相同藥量的5次測量數(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溫系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性; 從測試數(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量方法是一種非接觸式的高溫瞬態(tài)測溫法,可測量波長從零到整個(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熱輻射測量及熱毀傷效應(yīng)研究提供了一種溫度測量方法。

(2)寬波段熱輻射溫度測量方法在合理優(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隨溫度升高而藍(lán)移造成的單波段(或2波段)測量不準(zhǔn)確等問題,試驗(yàn)測量單基發(fā)射藥燃燒溫度為1500～1800 ℃,驗(yàn)證了溫度測量系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地測試出重復(fù)性較好的數(shù)據(jù),且整體系統(tǒng)(如熱通量傳感器)在測試中溫升較小,具有測量溫度范圍寬、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)高溫測試領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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