胡海航,樊 榮,楊 楊*,萬代紅,時(shí)志權(quán),鄧栩昌,楊 斌

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093;2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所,上海 201109)

0 引言

燃速是表征固體推進(jìn)劑燃燒性能的重要參數(shù)之一[1-4]。目前,固體推進(jìn)劑燃速測(cè)量方法主要有靶線法[5]、水下聲發(fā)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(fā)射法都是通過測(cè)量固定長度推進(jìn)劑的燃燒時(shí)間并由此計(jì)算平均燃速,以平均燃速來表示燃速的大小。王英紅等[12]對(duì)靶線法燃速儀的測(cè)試計(jì)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),有效解決了殘?jiān)鼘?dǎo)電對(duì)燃速測(cè)試的影響,提高了測(cè)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(tǒng)中使用過濾除塵器等方法,有效地解決了貧氧推進(jìn)劑靶線法燃速測(cè)試中出現(xiàn)的非正常砸斷、管路堵塞以及壓強(qiáng)波動(dòng)無法監(jiān)測(cè)等問題,提高了測(cè)試精度。KUMAR等[14]利用靶線法對(duì)推進(jìn)劑燃速進(jìn)行測(cè)量,獲得了AP/HTPB復(fù)合推進(jìn)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(duì)AP推進(jìn)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(jìn)劑燃燒聲信號(hào)的頻帶特性和不穩(wěn)定特性結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù),研制了更適用于貧氧推進(jìn)劑燃速測(cè)試的新型聲發(fā)射燃速儀。BUDHWAR等[16]利用聲發(fā)射燃速測(cè)試系統(tǒng)對(duì)AP復(fù)合推進(jìn)劑燃速進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)改性的氧化鐵納米顆粒使得燃速發(fā)生了顯著的變化。為了獲得動(dòng)態(tài)燃速,可通過多靶線設(shè)置獲得準(zhǔn)動(dòng)態(tài)燃速[17],多靶線法是裴慶等[18]在靶線法的基礎(chǔ)上提出的一種自升壓式動(dòng)態(tài)燃速的測(cè)試方法,與靶線法相比能夠更清晰地表征出藥條的動(dòng)態(tài)燃速。多靶線法理論上能夠獲得藥條的動(dòng)態(tài)燃速,但實(shí)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(zhǔn)動(dòng)態(tài)燃速。針對(duì)動(dòng)態(tài)燃速的測(cè)量,基于超聲、圖像技術(shù)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(shù)據(jù)采集卡搭建了超聲波實(shí)時(shí)燃速測(cè)量系統(tǒng),經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到了低壓范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)燃速數(shù)據(jù)以及燃速與壓強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并將其運(yùn)用到固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中,能夠有效獲得裝藥厚度變化。羅天佑[21]針對(duì)超聲波法測(cè)量固體推進(jìn)劑燃速工業(yè)化應(yīng)用的可行性進(jìn)行了討論與分析,修正了燃燒室壓強(qiáng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)了專門用于超聲波技術(shù)的高壓密閉燃燒器系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)際點(diǎn)火測(cè)試。HASEGAWA等[22]利用超聲法,并結(jié)合小波分析方法分析了由于多普勒效應(yīng)而發(fā)生頻移的反射波,能夠得到固體推進(jìn)劑的瞬時(shí)線性燃燒速率,為固體推進(jìn)劑的不穩(wěn)定性研究提供了有力的工具。為了能夠滿足固體推進(jìn)劑制造工業(yè)中的常規(guī)測(cè)量需求,JEENU等[23]提出了一種用小圓柱試樣進(jìn)行超聲波法燃速測(cè)試的方法,并且驗(yàn)證了其測(cè)量的可靠性,同一批推進(jìn)劑的燃速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差小于1%。但超聲法的測(cè)量精度容易受到外界環(huán)境因素的影響。圖像法具有能夠在不影響推進(jìn)劑燃燒的情況下對(duì)推進(jìn)劑藥條動(dòng)態(tài)燃速進(jìn)行非接觸式測(cè)量優(yōu)勢(shì)。PENG等[11]運(yùn)用數(shù)字圖像處理的原理,根據(jù)圖像定位出推進(jìn)劑在各時(shí)刻的燃燒面,采用數(shù)字圖像處理方法對(duì)瞬時(shí)燃燒速率進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量精度可接受。RISHA等[24]利用圖像法研究了鋁冰推進(jìn)劑在小型發(fā)動(dòng)機(jī)中燃面的推移,計(jì)算出線性燃速與燃速壓強(qiáng)指數(shù);羅中平等[25]運(yùn)用圖像法對(duì)雙鉛-2固體推進(jìn)劑在靜態(tài)條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)燃速的測(cè)量;余協(xié)正等[26]利用圖像法對(duì)石英玻璃管中B/KNO3的燃燒特性進(jìn)行了研究。ARKHIPOV等[27-28]利用圖像法對(duì)在壓強(qiáng)突降條件下推進(jìn)劑的燃速變化的研究,且觀察到壓強(qiáng)突變時(shí)火焰結(jié)構(gòu)和燃燒表面的變化過程。JAIN等[29]利用紅外相機(jī)捕捉推進(jìn)劑燃燒過程,通過跟蹤火焰反應(yīng)區(qū)的最亮點(diǎn)來確定推進(jìn)劑燃速。KATHIRAVAN等[30]利用CCD相機(jī)通過石英窗口連續(xù)捕獲推進(jìn)劑燃燒過程圖像,通過分析每一張圖片連續(xù)火焰峰的位置,從而獲得推進(jìn)劑燃速。

圖像法測(cè)量燃速可以獲取藥條燃燒的實(shí)時(shí)燃速,并且不存在靶線熔斷時(shí)間滯后的問題,可以改善異常燃燒現(xiàn)象等隨機(jī)過程對(duì)燃速測(cè)量系統(tǒng)不確定度的影響。但目前圖像法測(cè)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(fā)輻射光較強(qiáng),很難識(shí)別到燃燒端面,這對(duì)圖像處理過程中燃面的識(shí)別有較大影響,并且由于藥條包覆層的存在,藥條會(huì)出現(xiàn)殘?jiān)逊e的現(xiàn)象,從而會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此,為了解決上述圖像法燃速測(cè)試中的問題,本文提出了藍(lán)光陰影圖像法測(cè)量固體推進(jìn)劑藥條燃速的方法,并開展了不同配方推進(jìn)劑藥條的實(shí)時(shí)燃速測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究。

1 藍(lán)光陰影圖像法燃速測(cè)量系統(tǒng)

典型固體推進(jìn)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(jìn)劑燃燒火焰輻射對(duì)燃面識(shí)別的影響,選用藍(lán)光LED光源,其光譜主要集中在450 nm附近。因此,通過藍(lán)光光源與藍(lán)光濾光探測(cè)結(jié)合的方式對(duì)固體推進(jìn)劑藥條燃燒過程進(jìn)行成像,可過濾火焰輻射光,僅對(duì)藍(lán)光光源及固體推進(jìn)劑藥條陰影圖像進(jìn)行成像。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 推進(jìn)劑自身輻射光與藍(lán)光光譜Fig.1 Original radiation spectrum and blue light spectrum of solid propellant

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure schematic diagram of the measuring system

通過連續(xù)采集藥條燃燒過程中的圖像,并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理,可以得到不同時(shí)刻藥條的高度,根據(jù)連續(xù)拍攝圖片中藥條的高度差以及采集圖片的時(shí)間差,可以得到藥條的實(shí)時(shí)燃速。其中,本文所測(cè)藥條形狀為長方體,尺寸為5 mm×5 mm×120 mm,實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火方式為電點(diǎn)火,實(shí)驗(yàn)過程中同步進(jìn)行靶線法燃速測(cè)試,為使藥條保證成穩(wěn)定的平行層燃燒,點(diǎn)火后有一段長20 mm的穩(wěn)定燃燒段。

2 藍(lán)光陰影圖像識(shí)別處理與精度驗(yàn)證

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需先用標(biāo)定板標(biāo)定相機(jī)鏡頭參數(shù),標(biāo)定好以后保持各參數(shù)不變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在通風(fēng)較好條件下的實(shí)驗(yàn)室展開。將推進(jìn)劑測(cè)量藥條置于常壓的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方設(shè)有抽氣罩,以便將藥條燃燒產(chǎn)生的煙霧清除,保持實(shí)驗(yàn)室空氣潔凈。利用圖像法分析燃速的關(guān)鍵就是對(duì)圖像信息進(jìn)行處理,對(duì)藥條圖像信息處理后首先得到的是像素個(gè)數(shù),為了獲得藥條實(shí)際高度,需要知道單位像素代表的實(shí)際尺寸。因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,需要對(duì)相機(jī)及鏡頭參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)如圖3所示。本文采用的鏡頭為遠(yuǎn)心鏡頭,工作距離為350 mm,標(biāo)示放大倍率為0.1倍,像元尺寸為3.45 μm。

圖3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig.3 Calibration experiment

本實(shí)驗(yàn)通過選擇標(biāo)定尺上3根不同線條進(jìn)行標(biāo)定,以獲得單位像素相對(duì)應(yīng)實(shí)際視場(chǎng)尺寸。標(biāo)定圖像如圖4所示,標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

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

表1 標(biāo)示放大倍率為0.1倍的標(biāo)定結(jié)果Table 1 Calibration results of the test system with a magnification of 0.1

3 固體推進(jìn)劑藥條燃速測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 直接成像法與藍(lán)光陰影圖像法的對(duì)比

由于直接成像法受自身輻射光的影響大,對(duì)后期圖像處理造成了很大的困難。針對(duì)此問題,本文提出藍(lán)光陰影圖像法對(duì)固體推進(jìn)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(shù)據(jù)來進(jìn)行比較。圖5為藥條燃燒過程中,不同時(shí)刻直接成像法和藍(lán)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(tài),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(duì)后期圖像處理帶來很大困難。而藍(lán)光陰影圖像法成像捕獲的圖像對(duì)比度更高,邊緣更加清晰,消除了藥條火焰自身輻射光對(duì)成像的影響,能夠清晰穩(wěn)定地獲取燃燒過程中各時(shí)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(lán)光陰影圖像法處理圖片流程分別如圖6、圖7所示,對(duì)采集到的相片經(jīng)過圖像處理技術(shù)獲得每張圖片的藥條高度信息。先將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像,將其灰度化,再通過中值濾波的方法對(duì)其圖片進(jìn)行去噪,經(jīng)過銳化增強(qiáng)其對(duì)比度,然后將圖像二值化,從而提取端面平均高度。可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)還未燃燒。但處理后的圖像上藥條有空隙的現(xiàn)象。

(a)Direct imaging method

(b)Blue-light shadow image method圖5 直接成像法和藍(lán)光陰影圖像法在燃燒過程中成像圖片F(xiàn)ig.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(lán)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(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),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(shí)會(huì)出現(xiàn)包覆層殘?jiān)逊e的現(xiàn)象,如圖8(b)所示。這會(huì)使得圖像處理過程中難以準(zhǔn)確的捕獲燃燒端面,造成藍(lán)光陰影圖像法燃速測(cè)量時(shí)出現(xiàn)異常。

(a)No residue

(b)Residue圖8 不同藥條燃燒過程中的殘?jiān)逊e現(xiàn)象Fig.8 Residue accumulation phenomenon in the combustion process of different propellants

針對(duì)由于包覆層殘?jiān)逊e引起的燃速測(cè)試異常問題,在圖像處理過程中可以識(shí)別每張圖片燃燒端面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)像素點(diǎn)的差值Δh,利用z-score[31]對(duì)Δh進(jìn)行分析,z-score的公式:

式中μ為平均值;σ為標(biāo)準(zhǔn)差;z為樣本值距離平均值多少個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

通過觀察,在藥條燃燒過程中出現(xiàn)殘?jiān)逊e現(xiàn)象時(shí),Δh值也會(huì)較大,本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況,當(dāng)z>1時(shí),藥條燃燒端判別受到殘?jiān)逊e的影響較大,應(yīng)當(dāng)將該圖片剔除,從而削弱殘?jiān)逊e對(duì)燃速測(cè)量的影響。推進(jìn)劑藥條A某時(shí)刻下的燃燒端面如圖9(a)所示,圖9(b)表示推進(jìn)劑A在不同時(shí)刻下燃燒端面的Δh,經(jīng)過計(jì)算,Δh的平均值為35.4 pixels,標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jié)果

本文通過獲取推進(jìn)劑藥條燃燒過程中不同時(shí)刻的燃燒端面圖像,并對(duì)圖像進(jìn)行特征提取,識(shí)別藥條燃面空間信息,最終得到推進(jìn)劑藥條的實(shí)時(shí)燃速,實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑藥條實(shí)時(shí)燃速測(cè)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(duì)藥條A進(jìn)行了5次獨(dú)立的重復(fù)性實(shí)驗(yàn),得到的擬合燃速實(shí)驗(yàn)結(jié)果依次為2.518、2.536、2.501、2.526、2.590 mm/s。由于測(cè)量環(huán)境滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求,可忽略環(huán)境等因素對(duì)測(cè)量的影響,故影響測(cè)量精度的主要因素是重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。同種藥條下的5次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值為

根據(jù)貝塞爾公式得到的單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為

=0.034 mm/s

算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為

3.3 不同藥條燃速測(cè)試結(jié)果

本文同時(shí)利用藍(lán)光陰影圖像法和靶線法對(duì)6種不同配方的藥條進(jìn)行了燃速測(cè)試,圖11為利用藍(lán)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(jié)果與靶線法測(cè)試燃速結(jié)果對(duì)比見表2。在對(duì)6根藥條的燃速測(cè)試試驗(yàn)中,藍(lán)光陰影圖像法與靶線法燃速測(cè)量的最大偏差為3.7%。

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

利用藍(lán)光陰影圖像法得到不同藥條的實(shí)時(shí)燃速見圖12,各藥條的實(shí)時(shí)燃速平均值及標(biāo)準(zhǔn)差見表3。結(jié)合表2、表3和圖12可得,在所測(cè)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(shí)時(shí)燃速的標(biāo)準(zhǔn)差較高,燃速波動(dòng)較大,這也說明了燃速大的藥條波動(dòng)性相對(duì)會(huì)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(biāo)準(zhǔn)差最大,這說明藥條燃燒的穩(wěn)定性受配方影響。因此,利用藍(lán)光陰影圖像法得到的實(shí)時(shí)燃速更能反映藥條燃燒過程中的穩(wěn)定性,實(shí)時(shí)燃速和擬合燃速相結(jié)合,能夠更好地評(píng)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(shí)時(shí)燃速Fig.12 Real-time burning rate of different propellants

表3 實(shí)時(shí)燃速平均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Average and standard deviation of instantaneous burning rate mm/s

4 結(jié)論

實(shí)時(shí)燃速的測(cè)量更能反映藥條燃燒過程的穩(wěn)定性,并且能夠通過一次實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到不同壓力下的燃速,實(shí)時(shí)燃速的測(cè)量能夠?yàn)橥七M(jìn)劑配方、燃燒模型優(yōu)化和燃燒機(jī)理等探究提供更為豐富的數(shù)據(jù)支撐。在實(shí)時(shí)燃速的測(cè)量中會(huì)受到各種因素的影響,本文針對(duì)直接成像中,固體推進(jìn)劑藥條圖像燃速測(cè)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(lán)光陰影圖像法測(cè)量固體推進(jìn)劑實(shí)時(shí)燃速,并且比較了兩種方法的成像效果;本文將藍(lán)光陰影圖像法的擬合燃速與靶線法得到的燃速進(jìn)行比較,驗(yàn)證了該方法的穩(wěn)定性,本文還測(cè)量了6種藥條的實(shí)時(shí)燃速,分析了藥條燃燒過程中穩(wěn)定性的影響因素。通過以上研究,本文得到如下結(jié)論:

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

(2)本文對(duì)某種藥條在相同工況下進(jìn)行了5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn),5次測(cè)量結(jié)果重復(fù)性較高,證明了此方法具有較好的穩(wěn)定性;

(3)本文對(duì)6種推進(jìn)劑藥條在常壓下進(jìn)行藍(lán)光陰影圖像法燃速測(cè)試,所得的擬合燃速與靶線法的燃速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,相對(duì)偏差在3.7%以內(nèi),說明該方法是一種可靠的非接觸式燃速測(cè)量方法;

(4)對(duì)6種藥條的實(shí)時(shí)燃速結(jié)果進(jìn)行分析,一般情況下燃速高的藥條實(shí)時(shí)燃速波動(dòng)性會(huì)更大,對(duì)于燃速相近的藥條,配方對(duì)其燃速的波動(dòng)性有著較大的影響,這也說明了利用藍(lán)光陰影圖像法得到的實(shí)時(shí)燃速更能反映藥條燃燒過程中的穩(wěn)定性。此外,與靶線法相比,靶線法單次只能測(cè)某個(gè)恒定壓強(qiáng)下的燃速,而藍(lán)光陰影圖像法可應(yīng)用于變壓條件下的燃速測(cè)量,這為推進(jìn)劑配方、燃燒模型優(yōu)化和燃燒機(jī)理等探究都提供了可靠的測(cè)試方法。