基于TDLAS技術的雙基系推進劑裝藥排氣羽流流速特性研究

楊燕京, 趙鳳起, 孫　美, 儀建華, 姚德龍, 軒春雷, 許　毅, 王長建, 孫志華, 安　亭

(1.西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中國兵器工業集團試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

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基于TDLAS技術的雙基系推進劑裝藥排氣羽流流速特性研究

楊燕京1, 趙鳳起1, 孫美1, 儀建華1, 姚德龍2, 軒春雷1, 許毅1, 王長建1, 孫志華1, 安亭1

(1.西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中國兵器工業集團試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

摘要：基于可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術，利用吸收光譜中1392nm附近的H2O吸收譜線，測量了雙基推進劑和改性雙基推進劑裝藥在Ф50mm標準縮比發動機中燃燒后產生的排氣羽流的流速。結果表明，雙基推進劑裝藥的流速在達到第1個峰值后有稍許下降，隨后緩慢上升，進入位于0.90～1.39s的平臺區；而改性雙基推進劑裝藥的流速在達到1100m/s后直接進入位于0.33～0.88s的平臺區，而流速在該區域內呈現下降趨勢；上述兩種裝藥的排氣羽流流速曲線的變化趨勢與燃燒室內壓強曲線一致，但由于流速測量點距噴口有一定距離，導致其與壓強曲線相比有一定程度的滯后；雙基和改性雙基兩種推進劑裝藥在距發動機噴口30cm處的平均羽流流速分別為831.8和1057.5m/s。

關鍵詞：可調諧半導體激光吸收光譜；TDLAS；固體推進劑；排氣羽流；羽流流速

引 言

固體推進劑裝藥在發動機燃燒室內燃燒生成的產物通過噴管排出，形成排氣羽流。排氣羽流場的特征與發動機及推進劑的性能密切相關。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重要，進而可為發動機的設計和固體推進劑配方的優化提供一定的指導作用。

現有的流速測量技術可分為接觸式測量技術和非接觸式測量技術。由于排氣羽流具有高溫、高速兩個特點，僅非接觸式測量技術可以用于對其的研究。非接觸式流速測量技術主要包括激光多普勒流速儀(LDV)、粒子圖像測速儀(PIV)和可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術。其中，LDV和PIV技術的測量對象是流體中的示蹤粒子，TDLAS技術測量的則是流體中特定氣體的運動速度。因此，從原理上說，利用TDLAS技術可以獲得流體真實的流速。

TDLAS技術在風洞、流速測量方面的應用得到了國內外研究機構的重視[1]。美國國家航空航天局(NASA)在高超聲速國際飛行研究試驗(HIFiRE)和渦輪基組合循環(TBCC)項目的研究中應用了TDLAS技術[2-3]。張春曉等[4]選擇位于6548.7cm-1處的NH3吸收譜線，對NH3和N2混合氣體中NH3的流速和濃度進行了測量；賈良權等[5]以氧氣在13144.5cm-1附近的吸收譜線為測量對象，使用TDLAS技術研究了風洞中氧氣的流速；張亮等[6]則以1398nm處水的吸收譜線為測量對象，實現了高速流場的檢測；中科院力學研究所[7-9]使用TDLAS系統研究了超燃沖壓發動機燃燒室入口和燃燒室內的流速、溫度和濃度等參量的測量；西北工業大學[10-12]也利用TDLAS技術研究了脈沖爆震火箭發動機尾焰參數、超燃沖壓發動機進氣的特性，并與上海理工大學[13]合作研究了火箭基組合循環發動機出口處燃氣的流速。

上述研究證實了TDLAS在流體流速測量，特別是高溫、高速流場中流體的流速測量方面的可行性。然而，目前國內尚未有將TDLAS技術應用于固體推進劑裝藥排氣羽流流速測量方面的報道。本研究選擇雙基和改性雙基兩種典型的固體推進劑，利用TDLAS技術研究了上述兩種推進劑裝藥在標準縮比發動機內燃燒后產生的排氣羽流的流速特征，以期為推進劑配方優化和發動機設計提供參考。

1實驗

1.1樣品

雙基推進劑配方(質量分數)為：NC 59%、NG 8%、二硝基甲苯8%、中定劑3%、燃燒催化劑3%、其他2%，其比沖為1876.4N·s/kg；改性雙基推進劑配方(質量分數)為：NC 35%、NG 25%、RDX 27%、Al 3%、燃燒催化劑4%、其他6%，其比沖為2082.0N·s/kg。

1.2實驗原理

TDLAS技術測量固體推進劑裝藥排氣羽流中氣體的流速基于多普勒效應，光路示意圖如圖1所示。

圖1　固體推進劑裝藥排氣羽流流速測量光路圖Fig.1　Optical path for measuring the exhaust plumevelocity of solid propellant charge

設頻率為v的光束穿過測量區域，該過程中光源靜止，光接收器即為氣體分子，則運動的氣體分子接收到的光子表觀頻率(v′)為

v′=v(1-u·l1/c)

(1)

式中：u為氣流的流速；l1為第1次多普勒過程中源指向接收器的單位矢量；c為光速，流速計算中取c值為3×108m/s。

若光子被氣體分子吸收，將導致探測器接收到的光強信號的減弱。未被吸收的散射光子則將經歷第2次多普勒頻移過程，該過程中光源的運動速度和流速相同，光接收器即為光電探測器，處于靜止狀態,則探測器接收到光子的表觀頻率(v″)為

v″=v′/(1-u·l2/c)=v

(2)

式中：l2為第2次多普勒過程中源指向接收器的單位矢量；l1和l2相等，統一記作l。

由上述分析可知，對于非吸收光，將經歷上述兩次頻移后，探測器接收信號頻率和激光器發射頻率相同，沒有總的頻移；而對于吸收光，僅經歷第1次頻移，在氣體分子接收的表觀頻率為氣體特征吸收中心頻率時將產生最大吸收，即v′=v0，此時頻移大小為

(3)

圖1中激光光束1和光束2方向上的流速分量大小相同、方向相反，因此將導致吸收線的中心頻率分別向高頻和低頻方向移動，兩者的總頻差為2Δv，如圖2所示。由于角度θ在光路結構安排中已知，通過測量頻差就可以反演出流速。

圖2　頻差示意圖Fig.2　Schematic diagram of frequency difference

1.3實驗裝置

實驗所涉及的雙基和改性雙基推進劑的燃氣中均有水的存在，而水在二極管激光器工作波段具有較強的吸收，因此選擇水作為TDLAS的測量對象以表征羽流流速。本研究選取水位于1392nm附近的譜線用于測量。

固體推進劑裝藥排氣羽流流速特性研究系統如圖3所示，其中流速標定模塊用于實時測量各時刻半導體激光器的出光頻率。實驗中使用的固體火箭發動機為Ф50mm標準縮比發動機，帶測壓孔，通過優化噴管直徑使得發動機工作壓強為7MPa左右。推進劑裝藥為單孔管狀藥，自由裝填，其外徑45mm,內徑8mm，包覆方式為單端包覆。

圖3　固體推進劑裝藥排氣羽流流速特性研究系統示意圖Fig.3　Schematic diagram of the investigating systemof exhaust plume velocity characteristics forsolid propellant charge

1.4實驗方法

將TDLAS流速測量裝置放置于固體火箭發動機測試臺架后方；通電對測量裝置的工作狀態進行檢查，主要檢查兩路激光是否正常出光、光強值是否有明顯差別等。若儀器工作狀態正常，即可將推進劑裝藥裝入測試發動機的測試臺架上；隨后連接發動機點火線，設置羽流流速的采樣速率，在接通點火電源使發動機點火時，觸發TDLAS流速測量裝置采集數據，在發動機工作完畢后停止采集。

2結果與討論

2.1雙基推進劑羽流流速特性

對雙基推進劑裝藥的羽流流速特性進行測量，得到羽流流速隨時間的變化曲線，如圖4所示。

圖4　雙基推進劑裝藥羽流流速隨時間的變化曲線Fig.4　Curve of change in plume velocity with timefor double-base propellant charge

由圖4可知，發動機點火后，雙基推進劑裝藥的羽流流速迅速升高，在0.55 s處達到第1個峰值，此時流速約為717m/s；隨后流速出現一定程度的降低，在0.64s處降至約654m/s。接下來羽流流速以相對較慢的速率升高，在0.90s時達到839m/s，并在0.90～1.39s出現了一個流速平臺，該平臺是推進劑裝藥穩定燃燒的標志。平臺結束后，流速迅速下降，在約1.64s處降至0。對雙基推進劑裝藥穩定燃燒區域(即圖4中兩條黑色虛線間的區域)內的流速取平均值，可以得到雙基推進劑裝藥在距離發動機噴口30cm處的平均羽流流速為831.8m/s。

2.2改性雙基推進劑羽流流速特性

使用相同的實驗參數，對改性雙基推進劑裝藥的羽流流速進行了測量，得到流速隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5　改性雙基推進劑裝藥羽流流速隨時間的變化曲線Fig.5　Curve of change in plume velocity with time forcomposite modified double-base propellant charge

由圖5可知，TDLAS測試系統在0.17s時開始探測到羽流流速的變化，在0.33s時，達到1100m/s，同時進入羽流流速平臺區。該平臺區是推進劑裝藥穩定燃燒的標志，對應時間范圍為0.33～0.88s。但是，在平臺區內，除0.61s處存在一個較小的流速峰外，流速曲線整體上表現出下降趨勢。該羽流流速曲線變化的結束點位于1.03s處，與起始點間的時間間隔為0.86s。對平臺區內的羽流流速取平均值，可得改性雙基推進劑裝藥在距發動機噴口30cm處的平均羽流流速為1057.5m/s。

2.3羽流流速曲線與發動機內壓強曲線的比較

2.3.1雙基推進劑裝藥

在進行羽流流速測試的同時，對發動機內壓強的變化情況也進行了監測。圖6為雙基推進劑裝藥羽流流速測量實驗過程中發動機內壓強隨時間的變化曲線。

對比圖4與圖6，可以發現二者的曲線形狀變化規律較為相似，均在流速/壓強達到第1個峰值后出現下降過程，隨后再次上升并產生流速/壓強平臺，這說明推進劑裝藥的羽流流速曲線也體現了發動機內部推進劑的燃燒狀態。然而，相比流速曲線，壓強曲線中第1個峰值的相對強度更高，同時平臺也更寬。這是因為，流速測量的采樣率遠低于壓強測量，可能導致曲線形狀的變化；另一方面，羽流流速測量屬于外場測量，較容易受到外界環境的影響。

圖6　雙基推進劑裝藥燃燒過程中發動機內壓強隨時間的變化曲線Fig.6　Curve of change in pressure with time in the combustionprocess of double-base propellant charge in the motor

此外，流速曲線變化的起始點(0.41s處)和結束點(1.65s處)相比壓強曲線變化的起始點(0.34s處)和結束點(1.42s處)均有一定程度的滯后，且流速曲線上起始點和結束點的間距也大于壓強曲線上兩個點的間距；此外，發動機點火后壓強的升高速率明顯高于羽流流速增大的速率，而發動機工作結束后壓強的降低速率也高于羽流流速減小的速率。上述現象的原因在于，壓強曲線的變化直接反映了發動機內的情況，而TDLAS裝置測量的則是距噴口一定距離(30cm)的羽流流速，其探測到的流速變化顯然會滯后于壓強的變化。

2.3.2改性雙基推進劑裝藥

改性雙基推進劑裝藥燃燒過程中發動機內壓強隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7　改性雙基推進劑裝藥燃燒過程中發動機內壓強隨時間的變化曲線Fig.7　Curve of change in pressure with time in thecombustion process of composite modified double-basepropellant charge in the motor

由圖7可知，改性雙基推進劑裝藥的燃燒約在0.14s開始。0.16s時，發動機內壓強即達到峰值，隨后進入平臺區，相應的時間范圍為0.16～0.82s。該壓強曲線的平臺區整體上表現出下降趨勢，與羽流流速曲線(圖5)的變化趨勢一致。然而，壓強曲線上0.16～0.39s范圍內的波動并沒有體現在羽流流速曲線上，這可能是由流速測量采樣率較低而導致的。此外，由于TDLAS裝置探測的外流場變化滯后于測壓裝置所探測的內流場，改性雙基推進劑裝藥的羽流流速曲線和發動機內壓強曲線也在起始點、結束點、平臺寬度等參數上有所不同，相應規律與雙基推進劑裝藥一致。

3結論

(1)利用激光中心波長為1392nm的TDLAS裝置實現了雙基和改性雙基兩種推進劑裝藥羽流流速的在線測量，測得雙基和改性雙基推進劑裝藥在距發動機噴口30cm處的平均羽流流速分別為831.8和1057.5m/s。

(2)雙基和改性雙基推進劑裝藥的羽流流速曲線總體變化趨勢均與相應發動機內壓強曲線吻合良好，但相比壓強曲線有一定程度的滯后。

(3)推進劑裝藥的羽流流速曲線也能反映出發動機燃燒室內推進劑的燃燒狀態。

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Investigations on the Exhaust Plume Velocity Characteristics of Double-base and CMDB Propellants Charge Based on TDLAS Technique

YANG Yan-jing1, ZHAO Feng-qi1, SUN Mei1, YI Jian-hua1, YAO De-long2, XUAN Chun-lei1, XU Yi1,WANG Chang-jian1, SUN Zhi-hua1, AN Ting1

(1.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065, China; 2.Test and Measurement Academy, China North Industries Group, Huayin Shaanxi 714200, China)

Abstract:Based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique, the exhaust plume velocities produced after the combustion of double-base (DB) and composite modified double-base (CMDB) propellants charge in a Φ50mm standard subscale motor were measured using a H2O absorption line near 1392nm. The results show that for the DB propellant charge, the plume velocities decrease a little and then increase gradually after the first peak is reached. After that, a plateau could be observed in the time range of 0.90-1.39s. As for the CMDB propellant charge, a plateau is detected at 0.33-0.88s after the velocity reaches 1100m/s and the velocities decrease gradually in this plateau. The changing trend of the exhaust plume velocity curves of the solid propellant charge is in agreement with the combustion chamber pressure curve, but compared to the pressure curve, the velocity curve has a certain degree of lag due to that the exhaust plume velocities were determined at a distance from the nozzle. The mean plume velocities of DB and CMDB propellants charge at the position 30cm from the engine nozzle are determined to be 831.8 and 1057.5m/s, respectively.

Keywords:tunable diode laser absorption spectroscopy; TDLAS; solid propellant; exhaust plume; plume velocity

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.0014

收稿日期:2016-01-12；修回日期:2016-04-16

基金項目:國家自然科學基金(No. 21503163)

作者簡介:楊燕京(1987-)，男，博士，從事固體推進劑及羽流特征信號測試研究。E-mail:mseyyj@163.com 通訊作者:趙鳳起(1963-)，男，博士，研究員，從事固體推進劑及含能材料研究。E-mail: zhaofqi@163.com

中圖分類號：TJ55;V512

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)03-0070-05