固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽流流速TDLAS測量方法研究

姚德龍，陳 松

（中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院，陜西 華陰 714200）

引言

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒羽流是推進(jìn)劑在點(diǎn)火后通過噴管排出的燃燒和裂解產(chǎn)物，其羽流速度是揭示發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)，是發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。對推進(jìn)劑羽流流速測量可分為接觸式和非接觸式測量2 種方式。接觸式測量主要有測速管、熱線風(fēng)速儀等手段，但是這些手段響應(yīng)時(shí)間慢、空間分辨率低，而且會(huì)干擾羽流場。非接觸式測量主要以光學(xué)手段為主，如相位多普勒粒子分析儀、粒子圖像測速法等，其響應(yīng)速度快，空間分辨率高，但是需要加入示蹤粒子。由于固體推進(jìn)劑燃燒的不可控性，難以使示蹤粒子均勻分布于流場中，且粒子信號(hào)易被較強(qiáng)的火焰輻射信號(hào)湮沒，因此這類測量手段在應(yīng)用中也有一定的局限性[1-9]。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）也是一種非接觸式測量方法，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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)溫度、組分濃度、速度等多種參數(shù)測量[10-12]。

TDLAS 技術(shù)作為一種很有前景的測量手段，得到了國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)的重視。美國斯坦福大學(xué)高溫氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在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(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣道質(zhì)量流量捕獲測量和尾噴口流速、組分測量[13-14]。Shawn 將TDLAS 技術(shù)用于高超聲速氣流流速測量，利用H2O 分子吸收線測得大于40 馬赫的高速氣流[15]。李飛等使用TDLAS 技術(shù)研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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[16]。

但是TDLAS 技術(shù)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑羽流流速測速方面的應(yīng)用還未見報(bào)道，主要原因是固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大顆粒和粉塵遮擋光路，影響測量結(jié)果。本研究首次探索了TDLAS 技術(shù)在該環(huán)境中的應(yīng)用，在固體推進(jìn)劑裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)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1 392 nm 處的單根吸收譜線，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)在固體推進(jìn)劑羽流流速測量中具有可行性。

1 TDLAS 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

固體推進(jìn)劑羽流流速TDLAS 測試系統(tǒng)一般構(gòu)成如圖1所示。測試系統(tǒng)包括TDLAS 主機(jī)部分、測量工裝及附屬光纖、電纜連接線。其中主機(jī)部分包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、光纖分束器、標(biāo)準(zhǔn)具、信號(hào)放大器、控制與數(shù)據(jù)處理模塊、直流電源；測量工裝包含框架、發(fā)射單元（準(zhǔn)直器模塊）、接收單元（探測器模塊）。

如圖1所示，TDLAS 主機(jī)部分控制半導(dǎo)體激光器出光，經(jīng)光纖分束器分束，用于流速的分束標(biāo)記為1、2，用于波長標(biāo)定的分束標(biāo)記為光束3。光束1、2 分別經(jīng)單模光纖傳輸?shù)綔y量框架，經(jīng)過發(fā)射單元校準(zhǔn)之后交叉穿過待測羽流場，由接收單元接收后將激光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，分別經(jīng)屏蔽電纜傳輸回TDLAS 主機(jī)；光束3 經(jīng)過標(biāo)定后也由接收單元接收后將激光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)屏蔽電纜傳輸回TDLAS 主機(jī)。

圖1 TDLAS 流速測試系統(tǒng)Fig.1 TDLAS flow velocity measurement system

1.2 羽流流速測量原理

根據(jù)Beer-Lambert 吸收定律，頻率為ν強(qiáng)度為I0的入射光經(jīng)過氣體吸收后的透射光強(qiáng)為

式中：S為吸收線線強(qiáng)，是溫度T的函數(shù)；φ為歸一化的吸收線線形函數(shù)，是頻率和溫度的函數(shù)；P為總壓；χ為吸收氣體占總氣體的摩爾數(shù)之比，即體積比；L為吸收光程長。對于測量區(qū)域的氣體濃度溫度等特性均一的情形，上式可以寫作：

對于有統(tǒng)一流速方向的測量區(qū)域，如果流速在激光束光路方向上有速度分量，氣體特征吸收的中心頻率就會(huì)經(jīng)歷一個(gè)多普勒頻移，如圖2所示，是典型的流速測量光路示意圖。

假設(shè)在待測量區(qū)域內(nèi)流速分布均一，設(shè)頻率為v的光束穿過測量區(qū)域，分為光子被吸收和不被吸收2 種情形討論。2 種情形都會(huì)首先經(jīng)歷和氣流中分子相互作用的一個(gè)過程，該過程中光源靜止，光接收器接收氣體分子運(yùn)動(dòng)，氣體分子接收到的光子表觀頻率為

若光子被分子吸收，則對應(yīng)最終探測器接收光強(qiáng)信號(hào)的減??；對于沒有被吸收的“散射”光子，將經(jīng)歷第2 次多普勒頻移過程，該過程中光源可看作和氣流流速相同，光接收器即光電探測器靜止，則探測器接收到光子的表觀頻率為

圖2中激光光束1 和光束2 的方向上流速分量大小相同，方向相反，因此將導(dǎo)致吸收線的中心頻率分別向高頻的低頻方向移動(dòng)，頻移也大小相同，符號(hào)相反，兩者的總頻差為2Δv。頻移如圖3所示，由于角度 θ在光路結(jié)構(gòu)安排中已知，測量這一頻差就可以反演出流速。

由(5)式可知，在近似滿足的條件下（流速u遠(yuǎn)小于光速c，這一條件在測量的流速中幾乎自然地滿足），頻移量和流速大小成簡單的正比關(guān)系，因而利用TDLAS 方法測量流速,對整個(gè)的流速測量范圍具有相同的靈敏度。此外，從以上討論可以看出，測量區(qū)域中溫度、組分濃度變化只會(huì)造成吸收線寬度和強(qiáng)弱的變化，而對吸收線中心位置無影響，因此TDLAS 流速測量對環(huán)境溫度變化以及溫度是否均勻不敏感。

圖3 多普勒頻移信號(hào)Fig.3 Doppler frequency shift signal

2 試驗(yàn)方法

2.1 系統(tǒng)標(biāo)定

TDLAS 流速準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵為準(zhǔn)確獲取多普勒頻移量，即十字交叉測量通道1、2 的吸收線中心頻率差值，因此精確地標(biāo)定激光器掃描周期內(nèi)出光頻率（波長）的變化是流速測量的前提，此外需要標(biāo)定并修正的還有測試系統(tǒng)固有偏差。激光器出光頻率標(biāo)定利用標(biāo)準(zhǔn)具完成，如圖4上部所示為光束3 輸出信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)具的干涉峰（谷）之間的頻率間隔即自由譜范圍（FSR），在測量波長范圍內(nèi)FSR 為常數(shù)。精確查找干涉峰位置并進(jìn)行擬合，即可獲得整個(gè)掃描范圍內(nèi)激光器出光頻率，如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)與標(biāo)定相對波束結(jié)果Fig.4 Gauge signal and calibrated relative beam results

由于系統(tǒng)采用正交雙光路進(jìn)行流速測量，光傳輸、電子學(xué)等可能存在延時(shí)因素會(huì)使TDLAS 系統(tǒng)在無羽流時(shí)存在流速測量本底偏差，該偏差在靜態(tài)條件下校準(zhǔn)，實(shí)際測量流速輸出需要扣除該偏差。

2.2 試驗(yàn)方法

本次測試采用十字交叉法，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口距離2 束激光交叉點(diǎn)O距離為25 cm，發(fā)射單元及接收單元距離發(fā)動(dòng)機(jī)縱軸中心線距離為22 cm，圖5、6所示為試驗(yàn)示意圖和現(xiàn)場實(shí)物圖。

圖5 流速測試布設(shè)示意Fig.5 Flow velocity measurement layout schematic

圖6 流速測試系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)物圖Fig.6 Flow velocity measurement system field physical diagram

將裝配好的實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)固定在測試臺(tái)架上，接好點(diǎn)火線，每發(fā)試驗(yàn)前，對系統(tǒng)進(jìn)行檢查，保證系統(tǒng)處于正常狀態(tài)；設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣通道、量程、采樣率、采樣時(shí)間等參數(shù)，采集激光單次調(diào)諧過程中通過標(biāo)準(zhǔn)具后透射光強(qiáng)隨采樣點(diǎn)的變化曲線，獲得激光相對波數(shù)隨采樣點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系；控制信號(hào)點(diǎn)火，鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始采集”，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，采集不同時(shí)刻2 束探測激光單次調(diào)諧過程中吸收光譜隨相對波長的變化曲線，保存數(shù)據(jù)文件。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 激光相對波長與采樣點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系

由于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器在調(diào)諧過程中波長近似線性的單調(diào)變化，標(biāo)準(zhǔn)具的干涉效應(yīng)造成透射光強(qiáng)信號(hào)隨采樣點(diǎn)的變化曲線如圖7所示。

透射光強(qiáng)隨采樣點(diǎn)的變化曲線的周期為標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍，從而可以獲得激光器調(diào)諧的相對波數(shù)變化隨采樣點(diǎn)的變化曲線，如圖8所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)具透射光強(qiáng)信號(hào)隨采樣點(diǎn)的變化曲線Fig.7 Curve of transmittance intensity signal of etalon versus sampling point

圖8 激光器調(diào)諧的相對波數(shù)變化隨采樣點(diǎn)的變化曲線Fig.8 Curve of relative wavenumber of laser tuning versus sampling point

3.2 羽流流速計(jì)算

根據(jù)如圖4的激光器調(diào)諧相對波數(shù)與采樣點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，可以將激光吸收光譜與采樣點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為激光吸收光譜隨相對波數(shù)的變化曲線，如圖9所示。

圖9 激光吸收光譜隨相對波數(shù)的變化曲線Fig.9 Laser absorption spectra versus relative wavenumber

固體推進(jìn)劑羽流流速按（6）式計(jì)算：

式中：u為固體推進(jìn)劑羽流流速，單位為m/s；Δν為2 束探測激光吸收光譜中心相對波數(shù)差值，單位為cm-1；ν0為激光吸收光譜中心波數(shù)，在選取特定的吸收峰后為常數(shù)7 185.597 31 cm-1；c為光速，為常數(shù)3×108m/s。

羽流流速隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的曲線見圖10，時(shí)間t為橫坐標(biāo)、流速為縱坐標(biāo)。由圖10 可見，發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定燃燒時(shí)，其羽流流速處于1 000 ms～1 100 ms 之間，測試結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流流速設(shè)計(jì)基本吻合，也驗(yàn)證了本研究設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)是有效的。

圖10 固體推進(jìn)劑羽流流速曲線Fig.10 Plume velocity curve of solid propellant

4 結(jié)論

本文主要介紹了基于TDLAS 技術(shù)的高速羽流流速測量方法，利用搭建的雙光路系統(tǒng)對不同固體推進(jìn)劑流速進(jìn)行外場測量，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于該方法的流速測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對不同固體推進(jìn)劑的流速外場測試。