基于藍光陰影圖像法的固體推進劑藥條燃速測量方法①

胡海航,樊 榮,楊 楊*,萬代紅,時志權,鄧栩昌,楊 斌

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室,上海 200093;2.上海航天動力技術研究所,上海 201109)

0 引言

燃速是表征固體推進劑燃燒性能的重要參數之一[1-4]。目前,固體推進劑燃速測量方法主要有靶線法[5]、水下聲發射法[6]、超聲波法[7-8]、密閉燃燒器法[9-10]、圖像法[11]等。其中,靶線法、水下聲發射法都是通過測量固定長度推進劑的燃燒時間并由此計算平均燃速,以平均燃速來表示燃速的大小。王英紅等[12]對靶線法燃速儀的測試計時系統進行了改進,有效解決了殘渣導電對燃速測試的影響,提高了測試效率。石磊等[13]通過在藥條支架上安裝絕緣防燒蝕擋板,在燃燒室管路系統中使用過濾除塵器等方法,有效地解決了貧氧推進劑靶線法燃速測試中出現的非正常砸斷、管路堵塞以及壓強波動無法監測等問題,提高了測試精度。KUMAR等[14]利用靶線法對推進劑燃速進行測量,獲得了AP/HTPB復合推進劑在低壓條件下(13～100 kPa)的燃速,并研究了不同燃料(鋁和硼)和不同催化劑(丁基二茂鐵和氧化鐵)對AP推進劑在亞大氣壓下燃燒特性的影響。張勁民等[15]通過研究貧氧推進劑燃燒聲信號的頻帶特性和不穩定特性結合計算機技術,研制了更適用于貧氧推進劑燃速測試的新型聲發射燃速儀。BUDHWAR等[16]利用聲發射燃速測試系統對AP復合推進劑燃速進行測量,發現改性的氧化鐵納米顆粒使得燃速發生了顯著的變化。為了獲得動態燃速,可通過多靶線設置獲得準動態燃速[17],多靶線法是裴慶等[18]在靶線法的基礎上提出的一種自升壓式動態燃速的測試方法,與靶線法相比能夠更清晰地表征出藥條的動態燃速。多靶線法理論上能夠獲得藥條的動態燃速,但實際上相鄰的靶線也有一定的間距,因此多靶線法也只能得到準動態燃速。針對動態燃速的測量,基于超聲、圖像技術等原理的方法也得到了廣泛的研究。孫得川等[19-20]利用超聲波數據采集卡搭建了超聲波實時燃速測量系統,經過實驗得到了低壓范圍內的實時燃速數據以及燃速與壓強的對應關系,并將其運用到固體火箭發動機中,能夠有效獲得裝藥厚度變化。羅天佑[21]針對超聲波法測量固體推進劑燃速工業化應用的可行性進行了討論與分析,修正了燃燒室壓強對測試結果的影響,設計了專門用于超聲波技術的高壓密閉燃燒器系統并進行了實際點火測試。HASEGAWA等[22]利用超聲法,并結合小波分析方法分析了由于多普勒效應而發生頻移的反射波,能夠得到固體推進劑的瞬時線性燃燒速率,為固體推進劑的不穩定性研究提供了有力的工具。為了能夠滿足固體推進劑制造工業中的常規測量需求,JEENU等[23]提出了一種用小圓柱試樣進行超聲波法燃速測試的方法,并且驗證了其測量的可靠性,同一批推進劑的燃速測量標準差小于1%。但超聲法的測量精度容易受到外界環境因素的影響。圖像法具有能夠在不影響推進劑燃燒的情況下對推進劑藥條動態燃速進行非接觸式測量優勢。PENG等[11]運用數字圖像處理的原理,根據圖像定位出推進劑在各時刻的燃燒面,采用數字圖像處理方法對瞬時燃燒速率進行了測量,測量精度可接受。RISHA等[24]利用圖像法研究了鋁冰推進劑在小型發動機中燃面的推移,計算出線性燃速與燃速壓強指數;羅中平等[25]運用圖像法對雙鉛-2固體推進劑在靜態條件下進行動態燃速的測量;余協正等[26]利用圖像法對石英玻璃管中B/KNO3的燃燒特性進行了研究。ARKHIPOV等[27-28]利用圖像法對在壓強突降條件下推進劑的燃速變化的研究,且觀察到壓強突變時火焰結構和燃燒表面的變化過程。JAIN等[29]利用紅外相機捕捉推進劑燃燒過程,通過跟蹤火焰反應區的最亮點來確定推進劑燃速。KATHIRAVAN等[30]利用CCD相機通過石英窗口連續捕獲推進劑燃燒過程圖像,通過分析每一張圖片連續火焰峰的位置,從而獲得推進劑燃速。

圖像法測量燃速可以獲取藥條燃燒的實時燃速,并且不存在靶線熔斷時間滯后的問題,可以改善異常燃燒現象等隨機過程對燃速測量系統不確定度的影響。但目前圖像法測量燃速仍存在一定的問題,在圖片采集過程中,由于火焰自發輻射光較強,很難識別到燃燒端面,這對圖像處理過程中燃面的識別有較大影響,并且由于藥條包覆層的存在,藥條會出現殘渣堆積的現象,從而會對測量結果產生影響。因此,為了解決上述圖像法燃速測試中的問題,本文提出了藍光陰影圖像法測量固體推進劑藥條燃速的方法,并開展了不同配方推進劑藥條的實時燃速測量實驗研究。

1 藍光陰影圖像法燃速測量系統

典型固體推進劑燃燒火焰輻射光譜如圖1所示,火焰輻射光主要集中在500 nm以上,為了消除固體推進劑燃燒火焰輻射對燃面識別的影響,選用藍光LED光源,其光譜主要集中在450 nm附近。因此,通過藍光光源與藍光濾光探測結合的方式對固體推進劑藥條燃燒過程進行成像,可過濾火焰輻射光,僅對藍光光源及固體推進劑藥條陰影圖像進行成像。測量系統結構示意圖如圖2所示。

圖1 推進劑自身輻射光與藍光光譜Fig.1 Original radiation spectrum and blue light spectrum of solid propellant

圖2 測量系統結構圖Fig.2 Structure schematic diagram of the measuring system

通過連續采集藥條燃燒過程中的圖像,并對采集到的圖像進行處理,可以得到不同時刻藥條的高度,根據連續拍攝圖片中藥條的高度差以及采集圖片的時間差,可以得到藥條的實時燃速。其中,本文所測藥條形狀為長方體,尺寸為5 mm×5 mm×120 mm,實驗中點火方式為電點火,實驗過程中同步進行靶線法燃速測試,為使藥條保證成穩定的平行層燃燒,點火后有一段長20 mm的穩定燃燒段。

2 藍光陰影圖像識別處理與精度驗證

在進行實驗前需先用標定板標定相機鏡頭參數,標定好以后保持各參數不變進行實驗。實驗在通風較好條件下的實驗室展開。將推進劑測量藥條置于常壓的實驗臺上,實驗臺上方設有抽氣罩,以便將藥條燃燒產生的煙霧清除,保持實驗室空氣潔凈。利用圖像法分析燃速的關鍵就是對圖像信息進行處理,對藥條圖像信息處理后首先得到的是像素個數,為了獲得藥條實際高度,需要知道單位像素代表的實際尺寸。因此在進行實驗前,需要對相機及鏡頭參數進行標定。標定實驗如圖3所示。本文采用的鏡頭為遠心鏡頭,工作距離為350 mm,標示放大倍率為0.1倍,像元尺寸為3.45 μm。

圖3 標定實驗Fig.3 Calibration experiment

本實驗通過選擇標定尺上3根不同線條進行標定,以獲得單位像素相對應實際視場尺寸。標定圖像如圖4所示,標定結果如表1所示。

圖4 放大倍率為0.1倍的標定圖Fig.4 Calibration diagram with a magnification of 0.1

表1 標示放大倍率為0.1倍的標定結果Table 1 Calibration results of the test system with a magnification of 0.1

3 固體推進劑藥條燃速測試結果與分析

3.1 直接成像法與藍光陰影圖像法的對比

由于直接成像法受自身輻射光的影響大,對后期圖像處理造成了很大的困難。針對此問題,本文提出藍光陰影圖像法對固體推進劑藥條燃燒過程成像。本文以藥條在兩種不同成像方法下得到的數據來進行比較。圖5為藥條燃燒過程中,不同時刻直接成像法和藍光陰影圖像法捕獲的圖像。可以明顯觀察到,直接成像法采集到的圖像受藥條火焰自身輻射光的影響非常大,在不同的燃燒狀態,圖像亮度忽明忽暗,藥條邊緣被自身的輻射光淹沒,無法獲取端面信息,對后期圖像處理帶來很大困難。而藍光陰影圖像法成像捕獲的圖像對比度更高,邊緣更加清晰,消除了藥條火焰自身輻射光對成像的影響,能夠清晰穩定地獲取燃燒過程中各時刻的藥條端面圖像。以燃燒后第11.2 s的藥條圖像為例,直接成像法和藍光陰影圖像法處理圖片流程分別如圖6、圖7所示,對采集到的相片經過圖像處理技術獲得每張圖片的藥條高度信息。先將圖像轉換為數字圖像,將其灰度化,再通過中值濾波的方法對其圖片進行去噪,經過銳化增強其對比度,然后將圖像二值化,從而提取端面平均高度。可以發現直接成像法的邊緣較為模糊,并且由于自身輻射光影響,出現還未燃燒。但處理后的圖像上藥條有空隙的現象。

(a)Direct imaging method

(b)Blue-light shadow image method圖5 直接成像法和藍光陰影圖像法在燃燒過程中成像圖片Fig.5 Image pictures of direct imaging method and blue-light shadow image method in the combustion process

圖6 直接成像法的圖像處理流程(原圖→灰度化→ 去噪→銳化→二值化)Fig.6 Image processing process of direct imaging method (original image→gray image→denoising image→ sharp image→binary image)

圖7 基于藍光陰影圖像法的圖像處理流程 (原圖→灰度化→去噪→銳化→二值化)Fig.7 Image processing process based on blue-light shadow image method(original image→gray image→ denoising image→sharp image→binary image)

實驗過程中發現,由于包覆層的存在,使得一些特定材料包覆層藥條在燃燒時會出現包覆層殘渣堆積的現象,如圖8(b)所示。這會使得圖像處理過程中難以準確的捕獲燃燒端面,造成藍光陰影圖像法燃速測量時出現異常。

(a)No residue

(b)Residue圖8 不同藥條燃燒過程中的殘渣堆積現象Fig.8 Residue accumulation phenomenon in the combustion process of different propellants

針對由于包覆層殘渣堆積引起的燃速測試異常問題,在圖像處理過程中可以識別每張圖片燃燒端面最高點與最低點像素點的差值Δh,利用z-score[31]對Δh進行分析,z-score的公式:

式中μ為平均值;σ為標準差;z為樣本值距離平均值多少個標準差。

通過觀察,在藥條燃燒過程中出現殘渣堆積現象時,Δh值也會較大,本文結合實驗實際情況,當z>1時,藥條燃燒端判別受到殘渣堆積的影響較大,應當將該圖片剔除,從而削弱殘渣堆積對燃速測量的影響。推進劑藥條A某時刻下的燃燒端面如圖9(a)所示,圖9(b)表示推進劑A在不同時刻下燃燒端面的Δh,經過計算,Δh的平均值為35.4 pixels,標準差為4.9 pixels,因此剔除掉Δh>40.3 pixels的圖片。

(a)The Δh image

(b)Identification of valid and invalid data圖9 不同時刻下藥條A的ΔhFig.9 Δh of propellant A at different time

3.2 典型藥條燃速圖像處理結果

本文通過獲取推進劑藥條燃燒過程中不同時刻的燃燒端面圖像,并對圖像進行特征提取,識別藥條燃面空間信息,最終得到推進劑藥條的實時燃速,實現固體推進劑藥條實時燃速測量。

(a)h-t curve (b)v-t curve圖10 藥條A的h-t圖與v-t圖Fig.10 h-t curve and v-t curve of propellant A

本文對藥條A進行了5次獨立的重復性實驗,得到的擬合燃速實驗結果依次為2.518、2.536、2.501、2.526、2.590 mm/s。由于測量環境滿足嚴格的標準要求,可忽略環境等因素對測量的影響,故影響測量精度的主要因素是重復性引起的標準不確定度分量。同種藥條下的5次測量結果的算術平均值為

根據貝塞爾公式得到的單次測量標準差為

=0.034 mm/s

算術平均值的標準差為

3.3 不同藥條燃速測試結果

本文同時利用藍光陰影圖像法和靶線法對6種不同配方的藥條進行了燃速測試,圖11為利用藍光陰影圖像法得到的6種藥條h-t圖。通過線性擬合處理可以獲得圖像法平均燃速,其結果與靶線法測試燃速結果對比見表2。在對6根藥條的燃速測試試驗中,藍光陰影圖像法與靶線法燃速測量的最大偏差為3.7%。

表2 擬合燃速與靶線法燃速相對偏差Table 2 Relative error of fitting burning rate and strand burner method burning rate mm/s

利用藍光陰影圖像法得到不同藥條的實時燃速見圖12,各藥條的實時燃速平均值及標準差見表3。結合表2、表3和圖12可得,在所測的6種藥條中,藥條D和藥條E的燃速明顯高于其余4種藥條,但其實時燃速的標準差較高,燃速波動較大,這也說明了燃速大的藥條波動性相對會更大;藥條B、藥條C和藥條F的燃速較為接近,其中藥條C的燃速最低,但其標準差最大,這說明藥條燃燒的穩定性受配方影響。因此,利用藍光陰影圖像法得到的實時燃速更能反映藥條燃燒過程中的穩定性,實時燃速和擬合燃速相結合,能夠更好地評判藥條的燃燒特性。

(a)Propellant A (b)Propellant B

(e)Propellant E (f)Propellant F圖12 不同藥條的實時燃速Fig.12 Real-time burning rate of different propellants

表3 實時燃速平均值與標準差Table 3 Average and standard deviation of instantaneous burning rate mm/s

4 結論

實時燃速的測量更能反映藥條燃燒過程的穩定性,并且能夠通過一次實驗測量得到不同壓力下的燃速,實時燃速的測量能夠為推進劑配方、燃燒模型優化和燃燒機理等探究提供更為豐富的數據支撐。在實時燃速的測量中會受到各種因素的影響,本文針對直接成像中,固體推進劑藥條圖像燃速測量方法受藥條燃燒自身火焰輻射光影響較大的問題,提出了藍光陰影圖像法測量固體推進劑實時燃速,并且比較了兩種方法的成像效果;本文將藍光陰影圖像法的擬合燃速與靶線法得到的燃速進行比較,驗證了該方法的穩定性,本文還測量了6種藥條的實時燃速,分析了藥條燃燒過程中穩定性的影響因素。通過以上研究,本文得到如下結論:

(1)藍光陰影圖像法是一種有效的實時燃速測量方法,可有效消除藥條燃燒火焰自身輻射光對成像的影響,提高了燃面識別的精度,并降低了后期圖像處理的難度;

(2)本文對某種藥條在相同工況下進行了5次重復性實驗,5次測量結果重復性較高,證明了此方法具有較好的穩定性;

(3)本文對6種推進劑藥條在常壓下進行藍光陰影圖像法燃速測試,所得的擬合燃速與靶線法的燃速測試結果進行對比,相對偏差在3.7%以內,說明該方法是一種可靠的非接觸式燃速測量方法;

(4)對6種藥條的實時燃速結果進行分析,一般情況下燃速高的藥條實時燃速波動性會更大,對于燃速相近的藥條,配方對其燃速的波動性有著較大的影響,這也說明了利用藍光陰影圖像法得到的實時燃速更能反映藥條燃燒過程中的穩定性。此外,與靶線法相比,靶線法單次只能測某個恒定壓強下的燃速,而藍光陰影圖像法可應用于變壓條件下的燃速測量,這為推進劑配方、燃燒模型優化和燃燒機理等探究都提供了可靠的測試方法。