固体火箭发动机羽流具有高温、 高速与强辐射特征, 羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。 准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。 随着激光与光谱学的发展, 激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。 辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量, 具有测温范围宽、 响应快及可靠性高等优点, 可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。 在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法, 采用350~1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统, 利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定, 获得响应系数随波长的变化曲线, 并以此用作羽流辐射光谱数据修正。 之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验, 开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量, 选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征, 并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论, 验证在675~745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体, 该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%, 相对均方差为1.53%。 因此, 基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数, 并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。 最后, 开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量, 将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较, 两者最大偏差值为5.40%, 讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征, 并结合温度与辐射率测量结果, 分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、 羽流温度及辐射率的影响。 通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究, 为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。 分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、 温度及辐射率参数的影响, 为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。
辐射光谱 燃烧诊断 测温方法 固体火箭发动机 羽流温度 Radiation spectrum Combustion diagnostics Thermometry Solid rocket motor Plume temperature
1 上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
为了研究消光光谱颗粒粒径测量方法影响因素, 搭建了消光光谱颗粒粒径测量实验系统, 建立了非线性最小二乘颗粒粒径反演算法, 并选用900 nm、2.1 μm与5.1 μm三种标准颗粒作为待测颗粒样品, 开展了不同波段范围、波长选取数及颗粒浓度下消光光谱颗粒粒径测量实验研究。结果表明: 消光光谱颗粒粒径测量过程中, 光谱波长范围、波长数以及颗粒浓度等参数的选取均会对反演精度造成较大影响; 光谱信噪比是光谱波长范围选取的重要指标; 存在光谱波长选取数精度阈值, 采用该阈值进行颗粒粒径反演, 既可以保证测量精度, 又可以避免光谱数据冗长导致反演计算速度降低; 颗粒粒径反演选取待测颗粒系消光值约0.75时达到最佳。
消光光谱法 颗粒测量 粒径反演 影响因素 光谱区间 extinction spectroscopy particle measurement particle size inversion influencing factors spectral range
1 上海理工大学理学院, 上海 200093
2 上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
3 上海航天动力技术研究所发动机技术发展研究室, 上海 201109
提出了一种基于Fraunhofer衍射理论的燃烧颗粒粒径在线测量方法。根据固体推进剂药条燃烧火焰辐射光谱特性,选取450 nm蓝紫光激光器为光源,采用450 nm滤波探测方式消除固体推进剂燃烧的自发光辐射影响,搭建了固体推进剂药条燃烧颗粒粒径的在线测量系统。并利用10.9 μm标准颗粒、160 μm标准颗粒、及混合标准颗粒系对该系统开展粒径测量验证。燃烧实验的结果表明,固体推进剂药条燃烧颗粒的粒径约为10 μm和160 μm,呈双峰分布特征,数目分布主要集中在160 μm左右,随着药条燃烧时间增加,10 μm附近颗粒数量增多,160 μm附近颗粒数量减少。对于同一燃速下的固体推进剂,初始测量高度越高,燃烧颗粒的粒径越小。在初始测量高度相同时,不同燃速下燃烧颗粒的平均粒径相差不大。这些结果为固体推进剂燃烧过程研究提供了参考。
测量 固体推进剂 铝颗粒 粒径分布 Fraunhofer衍射 在线测量 光学学报
2020, 40(15): 1512003
1 上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所发动机技术发展研究室, 上海 201109
基于多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法;采用分光棱镜,搭建了消光光谱与背光图像同步测量装置,利用500 nm~76.9 μm粒径范围内的10种标准颗粒配成跨微米尺度混合颗粒样品并开展实验研究。结果表明:利用所提方法开展跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量时,亚微米-十微米尺度颗粒消光光谱与十微米以上尺度颗粒背光图像的相互影响可忽略,可同步测量得到跨微米尺度混合颗粒粒径;利用消光法和图像法分别开展亚微米-十微米、十微米以上尺度颗粒粒径测量,与标准颗粒粒径相比,相对误差均小于8%,且测量重复性较好,这为跨微米尺度混合颗粒提供了一种有效的粒径测量手段。
测量 多波长消光法 图像法 跨微米尺度 混合颗粒 粒径测量
1 上海理工大学颗粒与两相流测量研究所/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
3 西北工业大学燃烧、 热结构与内流场重点实验室, 陕西 西安 710072
针对光谱响应系数对辐射光谱测温法的影响问题, 利用200～1 100和900～1 700 nm两种波段光纤光谱仪测量了不同温度下黑体炉辐射光谱, 分析了不同波段高温黑体辐射光谱特征, 确定了不同波段光谱分析适宜采用的有效响应波段, 获得了不同温度下该波段光谱响应系数变化情况, 详细分析了温度对光谱响应系数的影响, 总结了辐射光谱法温度拟合时的波长范围以及响应系数选择原则, 并分析了波长范围以及响应系数选择对测温的影响, 这为提高辐射光谱测温法的测量精度具有重要价值。
辐射光谱 燃烧诊断 温度测量 影响因素 光谱响应系数 Radiation Spectroscopy Combustion diagnostics Temperature measurement Influence factors Spectral response coefficient
西北工业大学燃烧、流动和热结构国家级重点实验室, 陕西 西安 710072
利用可调谐半导体激光器吸收光谱（TDLAS）燃烧诊断技术，开展了吸气式发动机来流热试实验燃气温度、H2O组分浓度和气流速度测量。选用1392 nm和1395 nm分布反馈式（DFB）半导体激光器，构建了交叉光束时分复用（TDM）系统，通过扫描波长方法，交替调制两个激光器以获得燃气双吸收谱线中心（7185.597 cm-1和7168.437 cm-1）附近吸收光谱。根据双线测温原理，通过双线积分吸收率比值推断燃气静温，并由此温度测量值，结合单线积分吸收率计算燃气中H2O组分浓度，此外，根据成70°夹角双激光束吸收中心的多普勒频移量计算气流速度，从而实现了发动机燃气参数的非接触式和实时在线测量。
光谱学 可调谐半导体激光器吸收光谱 吸气式发动机 来流热试实验 燃气参数测量
