本發(fā)明屬于固體火箭推進劑測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置和測量方法。

背景技術(shù)：

固體火箭推進劑燃燒溫度、輻射率及燃速參數(shù)是表征推進劑燃速性能的重要參數(shù)。

目前，推進劑燃燒溫度測量主要利用熱電偶測溫，但隨著高能推進劑的發(fā)展，推進劑燃燒溫度已遠遠超過熱電偶的測溫范圍，無法滿足測量需求。另外，也有激光光譜主動式測量方法(如CARS技術(shù))在固體推進劑燃燒診斷上探索嘗試，但由于產(chǎn)生大量顆粒物引起的高溫輻射與散射衰減等作用，以及高溫高壓惡劣環(huán)境對譜線的影響，激光光譜主動式法沒有得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有測量裝置和測量方法只能測量單個參數(shù)，無法實現(xiàn)多參數(shù)同時測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置和測量方法，以解決現(xiàn)有測量裝置無法實現(xiàn)多參數(shù)測試的問題。

提供一種基于火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置，包括：光匯聚部，用來收集藥條燃燒的火焰輻射光，由多個位于同一直線的光匯聚器組成；多個光譜測量部，用來分析藥條燃燒火焰輻射光譜信息，與光匯聚器一一對應(yīng)，且相對應(yīng)的光匯聚器與光譜測量部之間通過光纖連接；以及信號處理部，用來采集多個火焰輻射光光譜信號并處理，獲得推進劑燃燒溫度、輻射率與燃速參數(shù)。

該測量裝置的光譜測量部包括：準直器，與對應(yīng)的光匯聚器通過光纖連接，對光纖傳輸過來的火焰輻射光進行準直；分光光柵，將經(jīng)準直的火焰輻射光分束成波長不同的輻射光；多個光電探測器，接收每個特定波段的輻射光，并將輻射光信號轉(zhuǎn)換成電信號；以及信號采集處理器，對接收到的電信號進行存儲并處理。

該測量裝置的多個光電探測器呈弧形排列。

該測量裝置還包括點火線、點火電極及點火控制器，點火線連接點火電極并穿過藥條一端，點火控制器與點火電極電連接。

該測量裝置還包括：控制部，與點火控制器和多個光譜測量部電連接，用于控制點火時間和多個光譜測量部的測量時間，并使點火控制器和多個光譜測量部同步運行。

提供一種基于火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量方法，包括：步驟一、確定光匯聚器的數(shù)量及分光光柵和光電探測器的參數(shù)，并將光匯聚部布置于光學(xué)窗口外側(cè)且與藥條平行，獲取兩個光譜測量部的間距；步驟二、控制部發(fā)出點火指令，并觸發(fā)光譜測量部；步驟三、多個光匯聚器接收火焰輻射光，并耦合至光纖；步驟四、每個光譜測量部獲得對應(yīng)測點的燃燒火焰輻射光譜，經(jīng)光譜儀響應(yīng)標定得到實際輻射強度隨火焰輻射波長的變化情況，并記錄多個光譜測量部獲得輻射信號的時間差；步驟五、根據(jù)理論輻射強度和實際輻射強度計算得到輻射率與溫度，根據(jù)間距和時間差計算得到推進劑燃速。

該方法步驟五中計算輻射率與溫度的公式為：

其中，E_λ為理論輻射強度，ε(T)為輻射率，C₁、C₂為輻射常量，λ為波長，T為火焰溫度，f(ε′)為最小二乘法擬合目標函數(shù)，ε′＝1/ε，y_i是實際測量輻射強度，k為常數(shù)。經(jīng)迭代，f取最小值時，對應(yīng)的ε為推進劑燃燒輻射率，T為推進劑燃燒溫度。

該方法步驟五中推進劑燃速的計算公式為：

v＝L/Δt

其中，v為推進劑燃速，L為兩個光譜測量部的間距，Δt為多個光譜測量部獲得輻射信號的時間差。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)獲得火焰輻射光譜信號，利用光譜擬合法火焰輻射光譜信號得到溫度與輻射率參數(shù)，可進一步提供光學(xué)輻射法測量精度，同時結(jié)合陣列排布方式還可同時獲得燃速參數(shù)，實現(xiàn)了在線非接觸式多參數(shù)測量；

(2)對于推進劑燃燒測試來說，還具有多參數(shù)同時在線非接觸式測量、無需對藥條進行處理、易維護等優(yōu)點。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標號來表示相同或相似的部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明測量方法的流程圖。

具體實施方式

為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本申請作進一步地詳細說明。為簡單起見，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。

基于火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量裝置用來測試燃燒裝置1中藥條103的燃燒溫度、輻射率與燃速，如圖1所示，包括光匯聚部2、多個光譜測量部3、控制部4、信號處理部5及點火裝置。

燃燒裝置1為一密閉容器，該密閉容器內(nèi)的壓強可以調(diào)節(jié)，用來開展特定實驗條件下的測試。燃燒裝置1包括燃燒室101、光學(xué)窗口102及藥條103，光學(xué)窗口102設(shè)置于燃燒室101一個側(cè)面上，燃燒室101的頂部和底部上分別設(shè)置一個固定件104，藥條103通過兩個固定件104固定在燃燒室101中心處。

光匯聚部2，用來收集藥條103燃燒的火焰輻射光109，由多個光匯聚器201組成，其數(shù)量可根據(jù)測試需要進行調(diào)整，并通過特殊固定件組成平行于藥條103排布的線陣列，布置于燃燒裝置1光學(xué)窗口102外側(cè)。測試實驗時，藥條103燃燒產(chǎn)生的火焰輻射光109經(jīng)光學(xué)窗口102后，由相應(yīng)的光匯聚器201接收，并耦合至光纖202中。

光譜測量部3，用來分析藥條103燃燒火焰輻射光譜信息，與光匯聚器201一一對應(yīng)，且與對應(yīng)的光匯聚器201之間通過光纖202連接。光譜測量部3包括準直器301、分光光柵302、多個接收不同波段光信號的光電探測器303及信號采集處理器307，準直器301與光匯聚器201通過光纖202連接，光電探測器303與信號采集處理器307電連接，多個光電探測器303呈弧形排列，其數(shù)量取決于光譜分析的精度。測試實驗時，光匯聚部2接收到的火焰輻射光經(jīng)光纖202傳輸至準直器301，通過準直器301準直后，輻射光304經(jīng)分光光柵302分束成波長不同的輻射光305，每個特定波段的輻射光305由對應(yīng)的光電探測器303接收，轉(zhuǎn)換成電信號306由信號采集處理器307存儲并處理。

點火裝置包括點火線105、點火電極106及點火控制器108，點火線105連接點火電極106并穿過藥條103下端，點火控制器108連接點火電極106。測試實驗時，點火控制器108發(fā)出點火指令點燃點火線105，藥條103下端開始燃燒直至燃盡。

控制部4，分別與點火控制器108和多個光譜測量部3電連接，用來控制點火裝置的點火時間和多個光譜測量部3的測量時間，并使點火控制器和光譜測量部同步運行。

信號處理部5，與控制部4電連接，用來采集多個火焰輻射光光譜信號并處理，同時獲得推進劑燃燒溫度、輻射率與燃速多參數(shù)。

提供一種基于火焰輻射的固體火箭推進劑燃燒測量方法，用于測試燃燒裝置1中由固體火箭推進劑制成的藥條103的燃燒參數(shù)，如圖2所示，包括：

步驟一、確定光匯聚器201的數(shù)量及分光光柵302和光電探測器303的參數(shù)，并將光匯聚部2布置于光學(xué)窗口102外側(cè)且與藥條103平行，獲取兩個光譜測量部2的間距；

步驟二、控制部4發(fā)出點火指令，并觸發(fā)光譜測量部2；

步驟三、多個光匯聚器201接收火焰輻射光，并耦合至光纖202；

步驟四、每個光譜測量部2獲得對應(yīng)測點的燃燒火焰輻射光譜，經(jīng)光譜儀響應(yīng)標定得到實際輻射強度隨火焰輻射波長的變化情況，并記錄多個光譜測量部2獲得輻射信號的時間差；

步驟五、根據(jù)理論輻射強度和實際輻射強度計算得到輻射率與溫度，根據(jù)間距和時間差計算得到推進劑燃速。

根據(jù)普朗克定律，火焰輻射波長λ(nm)與輻射強度E_λ(W/m2)的關(guān)系為：

將推進劑燃燒火焰輻射視為灰體輻射，將實驗得到的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)標定后，利用最小二乘法結(jié)合普朗克定律，設(shè)定擬合目標函數(shù)：

式(1)與式(2)中，其中，E_λ為理論輻射強度，ε(T)為輻射率，C₁、C₂為輻射常量，λ為波長，T為火焰溫度，f(ε′)為最小二乘法擬合目標函數(shù)，ε′＝1/ε，y_i是實際測量輻射強度，k為常數(shù)。

對式(2)進行迭代計算，當(dāng)f取最小值時，對應(yīng)的ε為推進劑燃燒輻射率，T為推進劑燃燒溫度。

步驟五中推進劑燃速的計算公式為：

v＝L/Δt

其中，v為推進劑燃速，L為兩個光譜測量部的間距，Δt為多個光譜測量部獲得輻射信號的時間差。

以上所述實施例僅表示本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明保護范圍。因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以所述權(quán)利要求為準。