基于TDLAS技术的双基系推进剂装药排气羽流流速特性研究

杨燕京, 赵凤起, 孙　美, 仪建华, 姚德龙, 轩春雷, 许　毅, 王长建, 孙志华, 安　亭

(1.西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065；2.中国兵器工业集团试验测试研究院，陕西 华阴 714200)



基于TDLAS技术的双基系推进剂装药排气羽流流速特性研究

杨燕京1, 赵凤起1, 孙美1, 仪建华1, 姚德龙2, 轩春雷1, 许毅1, 王长建1, 孙志华1, 安亭1

(1.西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065；2.中国兵器工业集团试验测试研究院，陕西 华阴 714200)

摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用吸收光谱中1392nm附近的H2O吸收谱线，测量了双基推进剂和改性双基推进剂装药在Ф50mm标准缩比发动机中燃烧后产生的排气羽流的流速。结果表明，双基推进剂装药的流速在达到第1个峰值后有稍许下降，随后缓慢上升，进入位于0.90～1.39s的平台区；而改性双基推进剂装药的流速在达到1100m/s后直接进入位于0.33～0.88s的平台区，而流速在该区域内呈现下降趋势；上述两种装药的排气羽流流速曲线的变化趋势与燃烧室内压强曲线一致，但由于流速测量点距喷口有一定距离，导致其与压强曲线相比有一定程度的滞后；双基和改性双基两种推进剂装药在距发动机喷口30cm处的平均羽流流速分别为831.8和1057.5m/s。

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱；TDLAS；固体推进剂；排气羽流；羽流流速

引 言

固体推进剂装药在发动机燃烧室内燃烧生成的产物通过喷管排出，形成排气羽流。排气羽流场的特征与发动机及推进剂的性能密切相关。作为流场的基本物理量，研究流速及其分布对于深入认识流场的特性至关重要，进而可为发动机的设计和固体推进剂配方的优化提供一定的指导作用。

现有的流速测量技术可分为接触式测量技术和非接触式测量技术。由于排气羽流具有高温、高速两个特点，仅非接触式测量技术可以用于对其的研究。非接触式流速测量技术主要包括激光多普勒流速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV)和可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。其中，LDV和PIV技术的测量对象是流体中的示踪粒子，TDLAS技术测量的则是流体中特定气体的运动速度。因此，从原理上说，利用TDLAS技术可以获得流体真实的流速。

TDLAS技术在风洞、流速测量方面的应用得到了国内外研究机构的重视[1]。美国国家航空航天局(NASA)在高超声速国际飞行研究试验(HIFiRE)和涡轮基组合循环(TBCC)项目的研究中应用了TDLAS技术[2-3]。张春晓等[4]选择位于6548.7cm-1处的NH3吸收谱线，对NH3和N2混合气体中NH3的流速和浓度进行了测量；贾良权等[5]以氧气在13144.5cm-1附近的吸收谱线为测量对象，使用TDLAS技术研究了风洞中氧气的流速；张亮等[6]则以1398nm处水的吸收谱线为测量对象，实现了高速流场的检测；中科院力学研究所[7-9]使用TDLAS系统研究了超燃冲压发动机燃烧室入口和燃烧室内的流速、温度和浓度等参量的测量；西北工业大学[10-12]也利用TDLAS技术研究了脉冲爆震火箭发动机尾焰参数、超燃冲压发动机进气的特性，并与上海理工大学[13]合作研究了火箭基组合循环发动机出口处燃气的流速。

上述研究证实了TDLAS在流体流速测量，特别是高温、高速流场中流体的流速测量方面的可行性。然而，目前国内尚未有将TDLAS技术应用于固体推进剂装药排气羽流流速测量方面的报道。本研究选择双基和改性双基两种典型的固体推进剂，利用TDLAS技术研究了上述两种推进剂装药在标准缩比发动机内燃烧后产生的排气羽流的流速特征，以期为推进剂配方优化和发动机设计提供参考。

1实验

1.1样品

双基推进剂配方(质量分数)为：NC 59%、NG 8%、二硝基甲苯8%、中定剂3%、燃烧催化剂3%、其他2%，其比冲为1876.4N·s/kg；改性双基推进剂配方(质量分数)为：NC 35%、NG 25%、RDX 27%、Al 3%、燃烧催化剂4%、其他6%，其比冲为2082.0N·s/kg。

1.2实验原理

TDLAS技术测量固体推进剂装药排气羽流中气体的流速基于多普勒效应，光路示意图如图1所示。

图1　固体推进剂装药排气羽流流速测量光路图Fig.1　Optical path for measuring the exhaust plumevelocity of solid propellant charge

设频率为v的光束穿过测量区域，该过程中光源静止，光接收器即为气体分子，则运动的气体分子接收到的光子表观频率(v′)为

v′=v(1-u·l1/c)

(1)

式中：u为气流的流速；l1为第1次多普勒过程中源指向接收器的单位矢量；c为光速，流速计算中取c值为3×108m/s。

若光子被气体分子吸收，将导致探测器接收到的光强信号的减弱。未被吸收的散射光子则将经历第2次多普勒频移过程，该过程中光源的运动速度和流速相同，光接收器即为光电探测器，处于静止状态,则探测器接收到光子的表观频率(v″)为

v″=v′/(1-u·l2/c)=v

(2)

式中：l2为第2次多普勒过程中源指向接收器的单位矢量；l1和l2相等，统一记作l。

由上述分析可知，对于非吸收光，将经历上述两次频移后，探测器接收信号频率和激光器发射频率相同，没有总的频移；而对于吸收光，仅经历第1次频移，在气体分子接收的表观频率为气体特征吸收中心频率时将产生最大吸收，即v′=v0，此时频移大小为

(3)

图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，因此将导致吸收线的中心频率分别向高频和低频方向移动，两者的总频差为2Δv，如图2所示。由于角度θ在光路结构安排中已知，通过测量频差就可以反演出流速。

图2　频差示意图Fig.2　Schematic diagram of frequency difference

1.3实验装置

实验所涉及的双基和改性双基推进剂的燃气中均有水的存在，而水在二极管激光器工作波段具有较强的吸收，因此选择水作为TDLAS的测量对象以表征羽流流速。本研究选取水位于1392nm附近的谱线用于测量。

固体推进剂装药排气羽流流速特性研究系统如图3所示，其中流速标定模块用于实时测量各时刻半导体激光器的出光频率。实验中使用的固体火箭发动机为Ф50mm标准缩比发动机，带测压孔，通过优化喷管直径使得发动机工作压强为7MPa左右。推进剂装药为单孔管状药，自由装填，其外径45mm,内径8mm，包覆方式为单端包覆。

图3　固体推进剂装药排气羽流流速特性研究系统示意图Fig.3　Schematic diagram of the investigating systemof exhaust plume velocity characteristics forsolid propellant charge

1.4实验方法

将TDLAS流速测量装置放置于固体火箭发动机测试台架后方；通电对测量装置的工作状态进行检查，主要检查两路激光是否正常出光、光强值是否有明显差别等。若仪器工作状态正常，即可将推进剂装药装入测试发动机的测试台架上；随后连接发动机点火线，设置羽流流速的采样速率，在接通点火电源使发动机点火时，触发TDLAS流速测量装置采集数据，在发动机工作完毕后停止采集。

2结果与讨论

2.1双基推进剂羽流流速特性

对双基推进剂装药的羽流流速特性进行测量，得到羽流流速随时间的变化曲线，如图4所示。

图4　双基推进剂装药羽流流速随时间的变化曲线Fig.4　Curve of change in plume velocity with timefor double-base propellant charge

由图4可知，发动机点火后，双基推进剂装药的羽流流速迅速升高，在0.55 s处达到第1个峰值，此时流速约为717m/s；随后流速出现一定程度的降低，在0.64s处降至约654m/s。接下来羽流流速以相对较慢的速率升高，在0.90s时达到839m/s，并在0.90～1.39s出现了一个流速平台，该平台是推进剂装药稳定燃烧的标志。平台结束后，流速迅速下降，在约1.64s处降至0。对双基推进剂装药稳定燃烧区域(即图4中两条黑色虚线间的区域)内的流速取平均值，可以得到双基推进剂装药在距离发动机喷口30cm处的平均羽流流速为831.8m/s。

2.2改性双基推进剂羽流流速特性

使用相同的实验参数，对改性双基推进剂装药的羽流流速进行了测量，得到流速随时间的变化曲线，如图5所示。

图5　改性双基推进剂装药羽流流速随时间的变化曲线Fig.5　Curve of change in plume velocity with time forcomposite modified double-base propellant charge

由图5可知，TDLAS测试系统在0.17s时开始探测到羽流流速的变化，在0.33s时，达到1100m/s，同时进入羽流流速平台区。该平台区是推进剂装药稳定燃烧的标志，对应时间范围为0.33～0.88s。但是，在平台区内，除0.61s处存在一个较小的流速峰外，流速曲线整体上表现出下降趋势。该羽流流速曲线变化的结束点位于1.03s处，与起始点间的时间间隔为0.86s。对平台区内的羽流流速取平均值，可得改性双基推进剂装药在距发动机喷口30cm处的平均羽流流速为1057.5m/s。

2.3羽流流速曲线与发动机内压强曲线的比较

2.3.1双基推进剂装药

在进行羽流流速测试的同时，对发动机内压强的变化情况也进行了监测。图6为双基推进剂装药羽流流速测量实验过程中发动机内压强随时间的变化曲线。

对比图4与图6，可以发现二者的曲线形状变化规律较为相似，均在流速/压强达到第1个峰值后出现下降过程，随后再次上升并产生流速/压强平台，这说明推进剂装药的羽流流速曲线也体现了发动机内部推进剂的燃烧状态。然而，相比流速曲线，压强曲线中第1个峰值的相对强度更高，同时平台也更宽。这是因为，流速测量的采样率远低于压强测量，可能导致曲线形状的变化；另一方面，羽流流速测量属于外场测量，较容易受到外界环境的影响。

图6　双基推进剂装药燃烧过程中发动机内压强随时间的变化曲线Fig.6　Curve of change in pressure with time in the combustionprocess of double-base propellant charge in the motor

此外，流速曲线变化的起始点(0.41s处)和结束点(1.65s处)相比压强曲线变化的起始点(0.34s处)和结束点(1.42s处)均有一定程度的滞后，且流速曲线上起始点和结束点的间距也大于压强曲线上两个点的间距；此外，发动机点火后压强的升高速率明显高于羽流流速增大的速率，而发动机工作结束后压强的降低速率也高于羽流流速减小的速率。上述现象的原因在于，压强曲线的变化直接反映了发动机内的情况，而TDLAS装置测量的则是距喷口一定距离(30cm)的羽流流速，其探测到的流速变化显然会滞后于压强的变化。

2.3.2改性双基推进剂装药

改性双基推进剂装药燃烧过程中发动机内压强随时间的变化曲线如图7所示。

图7　改性双基推进剂装药燃烧过程中发动机内压强随时间的变化曲线Fig.7　Curve of change in pressure with time in thecombustion process of composite modified double-basepropellant charge in the motor

由图7可知，改性双基推进剂装药的燃烧约在0.14s开始。0.16s时，发动机内压强即达到峰值，随后进入平台区，相应的时间范围为0.16～0.82s。该压强曲线的平台区整体上表现出下降趋势，与羽流流速曲线(图5)的变化趋势一致。然而，压强曲线上0.16～0.39s范围内的波动并没有体现在羽流流速曲线上，这可能是由流速测量采样率较低而导致的。此外，由于TDLAS装置探测的外流场变化滞后于测压装置所探测的内流场，改性双基推进剂装药的羽流流速曲线和发动机内压强曲线也在起始点、结束点、平台宽度等参数上有所不同，相应规律与双基推进剂装药一致。

3结论

(1)利用激光中心波长为1392nm的TDLAS装置实现了双基和改性双基两种推进剂装药羽流流速的在线测量，测得双基和改性双基推进剂装药在距发动机喷口30cm处的平均羽流流速分别为831.8和1057.5m/s。

(2)双基和改性双基推进剂装药的羽流流速曲线总体变化趋势均与相应发动机内压强曲线吻合良好，但相比压强曲线有一定程度的滞后。

(3)推进剂装药的羽流流速曲线也能反映出发动机燃烧室内推进剂的燃烧状态。

参考文献:

[1]杨斌, 何国强, 刘佩进, 等. 可调谐LD吸收光谱燃烧诊断技术研究进展[J]. 激光技术, 2011, 35(4): 503-510.YANG Bin, HE Guo-qiang, LIU Pei-jin, et al. Reaserch progress of tunable diode laser absorption spectroscopy for combustion diagnostics[J]. Laser Technology, 2011, 35(4): 503-510.

[2]Auslender A H, Suder K L, Thomas S R. An overview of the NASA FAP hypersonics project airbreathing propulsion research[C]∥16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. New York: AIAA, 2009: 7277.

[3]McDaniel J C, Chelliah H, Goyne C P, et al. US national center for hypersonic combined cycle propulsion: an overview[C]∥ 16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. New York: AIAA, 2009: 7280.

[4]张春晓, 王飞, 李宁, 等. 可调谐半导体激光吸收光谱技术光信号相关法氨气浓度流速同时测量[J]. 光谱学与光谱分析, 2009, 29(10): 2597-2601.

ZHANG Chun-xiao, WANG Fei, LI Ning, et al. Ammonia gas concentration and velocity measurement using tunable diode laser absorption spectroscopy and optical signal cross-correlation method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(10): 2597-2601.

[5]贾良权, 刘文清, 阚瑞峰, 等. 波长调制-TDLAS 技术测量风洞中氧气流速方法研究[J]. 中国激光, 2015, 42(7): 304-311.

JIA Liang-quan, LIU Wen-qing, KAN Rui-feng, et al. Study on oxygen velocity measurement in wind tunnel by wavelength modulation-TDLAS technology[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(7): 304-311.

[6]张亮, 刘建国, 阚瑞峰, 等. 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的高速气流流速测量方法研究[J]. 物理学报, 2012, 61 (3): 034214.

ZHANG Liang, LIU Jian-guo, KAN Rui-feng, et al. On the methodology of measuring high-speed flows using tunable diode laser absorption sectroscopy[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(3): 034214.

[7]Yu X, Li F, Chen L, et al. In a tunable diode-laser absorption spectroscopy (TDLAS) thermometry for combustion diagnostics[C]∥ 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. New York: AIAA, 2008: 2657.

[8]Li F. Application of near-infrared absorption technology on supersonic combustion[D]. Beijing: Gradute Univeristy of Clunese Academy of Science, 2009.

[9]Li F, Yu X, Gu H, et al. Measurement of flow parameters in a scramjet combustor based on near-infrared absorption[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2011, 43: 1-7.

[10]Fan W, Yan C J, Zhang Q, et al. Combustion diagnostics by tunable diode laser-based absorption[J]. Journal of Propulsion Technology, 2003, 24 (2): 186-189.

[11]Fan W, Jenkins T, Sanders S, et al. Diode-laser-based diagnostics for a pulse detonation engine[J]. Journal of Propulsion Technology, 2001, 22 (4): 349-352.

[12]陈帆, 陶波, 黄斌, 等. 基于 TDLAS 的脉冲爆震火箭发动机尾焰参数测量[J]. 燃烧科学与技术[J]. 2013, 19(6): 501-506.

CHEN Fan, TAO Bo, HUANG Bin, et al. Measurement of PDRE plume based on TDLAS technology[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2013, 19(6): 501-506.

[13]杨斌, 黄斌, 刘佩进, 等. 利用 TDLAS 技术评估火箭基组合循环发动机试验性能[J]. 宇航学报, 2015, 36(7): 840-848.

YANG Bin, HUANG Bin, LIU Pei-jin, et al. Test performance evaluation of rocket based combined cycle engine using TDLAS technique[J]. Journal of Astronautics, 2015, 36(7):840-848.

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

基金项目:国家自然科学基金(No. 21503163)

作者简介:杨燕京(1987-)，男，博士，从事固体推进剂及羽流特征信号测试研究。E-mail:mseyyj@163.com 通讯作者:赵凤起(1963-)，男，博士，研究员，从事固体推进剂及含能材料研究。E-mail: zhaofqi@163.com

中图分类号：TJ55;V512

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)03-0070-05