CN104181172B - 一种固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度实验测试方法，该方法基于红外测温原理测试获得推进剂燃烧喷焰等离子体长度，根据微波干涉法测试获得推进剂燃烧喷焰微波信号衰减以及相移信号，进而经过数学处理获得固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度。该方法克服了探针法干扰燃烧喷焰、光谱法与推进剂燃烧喷焰温度不适应等缺点，主要是一种基于桥式电路的微波装置，特别适宜于观测瞬变等离子体，优化集成了红外热像仪和微波干涉仪，并将其应用于固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试，大大提高了测量结果的准确度。该测试方法设计合理、操作简便，可为微波制导与等离子推进武器用固体推进剂配方设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试方法。
背景技术
固体推进剂在燃烧室中通过燃烧反应将其化学能转变成燃烧产物的热能，而高温的燃烧产物会在拉瓦尔喷管出口外部形成羽毛状的发光火焰流场，称为燃烧喷焰。它是一种气体分子密度极大、自由电子浓度和电子碰撞频率很高、湍流起伏非常剧烈的高温弱等离子体，其包含自由电子、自由离子以及中性粒子，主要由热电离和化学电离而形成，它对电波传播可产生吸收、相移、反射、散射、绕射和多径等效应，会使电波信号产生衰减、相位移、调幅调相噪声和相干带宽下降，从而使火箭主飞行段的跟踪测量和遥控遥测***受到不同程度的影响。
自由电子浓度是等离子体中的一个重要参数，是指单位体积中的自由电子数。当微波制导信号穿越推进剂燃烧喷焰时，自由电子对微波能量吸收、反射和绕射等使制导信号衰减，影响弹箭武器装备的通信；同时，自由电子对制导信号的反射使弹箭武器装备的视在尺寸变大，容易被敌方发现。研究固体推进剂燃烧喷焰的等离子性质对于提高导弹的隐蔽性能和精确制导能力有着重要的意义。
北约等军事强国对固体推进剂燃烧喷焰等离子体性质开展了一些研究，但尚没有公开报道其测试方法和测试装置，国内对实验室等离子体开展了一些研究，大多采用探针法、光谱法等，但对于固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试尚没有建立方法，还不能为微波制导与等离子推进武器用固体推进剂配方设计提供指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试方法，为微波制导及等离子武器用固体推进剂研制提供参考。
为解决其技术问题，实现本发明目的技术方案包括如下步骤：
步骤一：红外热像仪比例尺：架设靶板，靶板的面积为(1.5×1.5)m2，靶板上有1.2m×1.2m、0.8m×0.8m、0.4m×0.4m的黑色边框，边框宽度为0.1m；靶板中心有0.1m×0.1m黑色方块；利用靶板对红外热像仪进行标定，比例尺定义为K＝1.2/NL1，单位为米每像素(m/px)，其中1.2为靶板中心1.2m黑色边框宽度，NL1为标定图像中靶板中心1.2m黑色边框所占图像宽度，单位为像素(px)；
步骤二，在确定了红外热图中像素与实际尺寸之间的比例关系后，对红外热图中燃烧喷焰火焰区域作最小外接矩形，若外接矩形的宽度所占像素数为N，则燃烧喷焰的等离子尺寸按式L＝N×K计算，其中L为红外热图中的等离子尺寸，单位为米(m)，N为红外热图中火焰外接矩形的长边在图像中所占像素数；
步骤三，推进剂装药采用Φ36mm发动机装药，测量推进剂的内径、外径以及长度，在药柱一端粘包覆片后称重，每组五发，将试样编号；根据发动机工作压力、推进剂品种及性能选择适当的发动机喷管；点火药选用2类黑火药，药量根据被测推进剂而定，称好的点火药用绸布将其与点火头包扎成点火药包；
步骤四，按技术要求装配好发动机，将装配好的发动机固定在测试台架上，接好测压传感器及点火线；测压***静态标定按GJB770B－2005方法705.2比冲推力台法进行；记录实验室环境温度；
步骤五，调试并使红外热像仪及高速数据采集器工作正常，设置数据采集器的设定采集速度为1000点/s，设置红外热像仪的辐射系数为0.1；发动机点火，自动采集发动机红外热图，并存入磁盘；处理获得红外热图中火焰外接矩形在图像中所占像素数，并根据步骤二处理获得固体推进剂燃烧喷焰等离子体尺寸；
步骤六，架设微波干涉仪：微波干涉仪的发射天线与接收天线分别位于发动机喷口两边，且与发动机喷口方向垂直，根据步骤一～步骤五确定的固体推进剂燃烧喷焰等离子体宽度，调节发射天线与接收天线的距离，使其与燃烧喷焰等离子体直径相适应；
步骤七，为使微波干涉仪的发射天线与接收天线位于同一轴线上，设计加工天线架台，专用台架上微波干涉仪发射接收端电子器件部分用绝热夹套保护起来，探针的高度可以自由调节，发射天线与接收天线之间的距离可以自由调节；
步骤八，按步骤三、步骤四做好发动机试验准备，每发试验前，检查调试微波干涉仪的零点及满量程；开启数据采集器以及红外热像仪，发动机点火，自动采集微波干涉仪的衰减、相移信号以及发动机红外热图，并存入磁盘；
步骤九，按步骤六～步骤八获得微波干涉仪测试结果相移和衰减幅值，进而由公式即可获得固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度，其中为微波干涉仪的相移，单位为度(°)，Δη为微波干涉仪的衰减幅值，单位为分贝(dB)，n为固体推进剂燃烧喷焰的自由电子浓度，单位为每立方厘米(cm-3)；
步骤十，固体推进剂燃烧喷焰工作时间内的平均自由电子浓度：推进剂的工作时间区域由发动机压力－时间T曲线来确定，由即可获得固体推进剂燃烧喷焰工作时间内的平均自由电子浓度，其中Δt为推进剂的工作时间，单位为秒(s)，n(t)为推进剂工作t时刻燃烧喷焰的自由电子浓度，单位为每立方厘米(cm-3)，为推进剂燃烧喷焰工作时间内的平均自由电子浓度，单位为每立方厘米(cm-3)；
上述所描述的固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试方法，其特征在于为了测量结果更准确，接近天线的、微波传输范围内的金属物质都移走；
上述所描述的固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试方法，其特征在于为了防止发动机工作期间尾焰带来的高温热流对微波干涉仪测试精度产生影响，将干涉仪放置于特制的防热罩中，只露出微波干涉仪发射天线和接收天线；
上述所描述的固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试方法，其特征在于为了使测试结果与真实结果误差较小，经过反复试验，在数据处理中消除了测量噪声的影响，使得处理结果可以真实的显示；相移及微波衰减值按如下条件考虑，即当时，当时，
与现有技术相比具有以下优点：本发明克服了探针法干扰燃烧喷焰流场、光谱法与推进剂燃烧喷焰温度不适应等缺点，优化集成了红外热像仪和微波干涉仪用于固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试，解决了固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试难题。可根据Φ36mm发动机测试结果对所设计的推进剂配方进行调整，大大缩短了微波制导与等离子推进武器用固体推进剂型号配方研制周期，大幅度减少了研制成本。
附图说明
图1为固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试试验现场布置示意图。
图2为本发明固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度实验台架装配图。图2中1支架，2基座，3丝杠1，4丝杠2，5台面，6立柱，7微波测试仪，8滑杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。如图1所示的一种固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度测试方法，包括如下步骤：
步骤一，推进剂装药采用Φ36mm发动机装药，测量SJ推进剂的内径、外径以及长度，在药柱—端粘包覆片后称重，每组五发，将试样编号；根据发动机工作压力、推进剂品种及性能选择适当的发动机喷管；点火药选用2类黑火药，称好的点火药用绸布将其与点火头包扎成点火药包；
步骤二，按技术要求装配好发动机，将装配好的发动机固定在测试台架上，接好测压传感器及点火线；测压***静态标定按GJB770B－2005方法705.2比冲推力台法进行；记录实验室环境温度；
步骤三，架设靶板，靶板的面积为(1.5×1.5)m2，靶板上有1.2m×1.2m、0.8m×0.8m、0.4m×0.4m的黑色边框，边框宽度为0.1m；靶板中心有0.1m×0.1m黑色方块；利用靶板对红外热像仪进行标定，比例尺定义为K＝1.2/NL1，单位为米每像素(m/px)，其中1.2为靶板中心1.2m黑色边框宽度，NL1为标定图像中靶板中心1.2m黑色边框所占图像宽度，单位为像素(px)；
步骤四，调试并使红外热像仪及高速数据采集器工作正常，设置数据采集器的设定采集速度为1000点/s，设置红外热像仪的辐射系数为0.1；发动机点火，自动采集发动机红外热图，并存入磁盘；对红外热图中燃烧喷焰区域作最小外接矩形，若外接矩形的宽度所占像素数为N，则燃烧喷焰的等离子尺寸按公式L＝N×K计算，其中L为红外热图中的等离子尺寸，单位为米(m)，N为红外热图中火焰外接矩形的长边在图像中所占像素数；处理获得固体推进剂燃烧喷焰等离子体尺寸15cm；
步骤五，如图2所示，微波干涉仪的发射天线与接收天线分别位于发动机喷口两边，且与发动机喷口方向垂直，根据步骤一确定的固体推进剂燃烧喷焰等离子体宽度，调节滑块左右行程使得发射天线与接收天线的距离与燃烧喷焰等离子体直径相适应，调节滑块上下行程使得装置整体升降高度与发动机轴线一致；
步骤六，按上所述实施方式步骤一、步骤二做好发动机试验准备，每发试验前，检查调试微波干涉仪的零点及满量程；开启数据采集器以及红外热像仪，发动机点火，自动采集微波干涉仪的衰减、相移信号以及发动机红外热图，并存入磁盘；
步骤七，按上所述实施方式步骤五、步骤六获得微波干涉仪测试结果相移和衰减幅值，由公式即可获得固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度，其中为微波干涉仪的相移，单位为度(°)，Δη为微波干涉仪的衰减幅值，单位为分贝(dB)，n为固体推进剂燃烧喷焰的自由电子浓度，单位为每立方厘米(cm-3)；
步骤七，固体推进剂燃烧喷焰工作时间内的平均自由电子浓度：推进剂的工作时间区域由发动机压力－时间曲线来确定，由即可获得固体推进剂燃烧喷焰工作时间内的平均自由电子浓度，其中Δt为推进剂的工作时间，单位为秒(s)，n(t)为推进剂工作t时刻燃烧喷焰的自由电子浓度，单位为每立方厘米(cm-3)，为推进剂燃烧喷焰工作时间内的平均自由电子浓度，单位为每立方厘米(cm-3)；
步骤八，在数据处理中实现了对环境中噪声干扰过滤算法，即当时，当时，
步骤九，某双基推进剂自由电子浓度测试结果如表1所示，双基推进剂测试样品的测试结果相对实验偏差为7.6％，测试结果表明，测试结果准确稳定，重复性较好。
表1某双基推进剂燃烧喷焰自由电子浓度
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (1)
1.固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度实验测试方法，其特征在于，该测试方法包括如下步骤：
步骤一，用靶板对红外热像仪进行标定，比例尺定义为K＝1.2/NL1，单位为米每像素(m/px)，其中1.2为靶板中心1.2m黑色边框宽度，NL1为标定图像中靶板中心1.2m黑色边框所占图像宽度，单位为像素(px)；
步骤二，在确定了红外热图中像素与实际尺寸之间的比例关系后，对红外热图中燃烧喷焰区域作最小外接矩形，若外接矩形的宽度所占像素数为N，则燃烧喷焰的等离子尺寸按式L＝N×K计算，其中L为红外热图中的等离子尺寸，单位为米(m)，N为红外热图中火焰外接矩形的长边在图像中所占像素数；
步骤三，推进剂装药采用Φ36mm发动机装药，测量推进剂的内径、外径以及长度，在药柱一端粘包覆片后称重，每组五发，将试样编号；根据发动机工作压力、推进剂品种及性能选择适当的发动机喷管；点火药选用2类黑火药，药量根据被测推进剂而定，称好的点火药用绸布将其与点火头包扎成点火药包；
步骤四，按技术要求装配好发动机，将装配好的发动机固定在测试台架上，接好测压传感器及点火线；测压***静态标定按GJB770B－2005方法705.2比冲推力台法进行；记录实验室环境温度；
步骤五，调试并使红外热像仪及高速数据采集器工作正常，设置数据采集器的采集速度为1000点/s，设置红外热像仪的辐射系数为0.1；发动机点火，自动采集发动机红外热图，并存入磁盘，处理获得红外热图中火焰外接矩形在图像中所占像素数，并根据步骤二处理获得固体推进剂燃烧喷焰等离子体尺寸；
步骤六，微波干涉仪的发射天线与接收天线分别位于发动机喷口两边，且与发动机喷口方向垂直，根据步骤一～步骤五确定的固体推进剂燃烧喷焰等离子体宽度，调节发射天线与接收天线的距离，使其与燃烧喷焰等离子体直径相适应；
步骤七，为使微波干涉仪的发射天线与接收天线位于同一轴线上，设计加工天线架台，专用台架上微波干涉仪发射接收端电子器件部分用绝热夹套保护起来，探针的高度可以自由调节，发射天线与接收天线之间的距离可以自由调节；
步骤八，按步骤三、步骤四做好发动机试验准备，每发试验前，检查调试微波干涉仪的零点及满量程；开启数据采集器以及红外热像仪，发动机点火，自动采集微波干涉仪的衰减、相移信号以及发动机红外热图，并存入磁盘；
步骤九，按步骤六～步骤八获得微波干涉仪测试结果相移和衰减幅值，进而由公式即可获得固体推进剂燃烧喷焰自由电子浓度，其中为微波干涉仪的相移，单位为度(°)，Δη为微波干涉仪的衰减幅值，单位为分贝(dB)，n为固体推进剂燃烧喷焰的自由电子浓度，单位为每立方厘米(cm-3)；
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