基于TDLAS的固体推进剂装药羽流流速测量方法

姚 路，姚德龙，仪建华，阚瑞峰，杨燕京，许振宇，阮 俊，刘建国

(1. 中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031；2. 中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200；3.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)



基于TDLAS的固体推进剂装药羽流流速测量方法

姚 路1，姚德龙2，仪建华3，阚瑞峰1，杨燕京3，许振宇1，阮 俊1，刘建国1

(1. 中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031；2. 中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200；3.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)

介绍了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的固体推进剂装药羽流流速测量新方法。选用推进剂燃烧产物H2O分子在1392nm处的吸收谱线，通过频率标定、交叉布置光路，利用多普勒频移效应可反演流速。在静态试验中对比了羽流流速特性曲线和发动机内压强曲线，验证了该技术用于固体推进剂装药羽流流速测量的可行性。研制了紧凑型测量样机，采用锂电池供电，响应时间30ms，质量2kg，功耗小于5W，在线反演流速并存储结果。进行随火箭橇飞行的动态测试，获得了有效的羽流流速结果。结果表明，TDLAS技术可用于测量随发动机飞行的动态羽流流速，是获取推进剂装药实时在线燃烧状态参数的有效途径。

可调谐半导体激光吸收光谱；TDLAS；固体推进剂装药；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，可为发动机的结构设计和推进剂配方的优化提供参考依据[1]。

现有的推进剂排气羽流流速测量技术可分为接触式和非接触式。由于发动机燃烧羽流高温、高速等特点，测速管、热线风速仪等传统接触式测量虽然结构可靠，但响应时间慢、空间分辨率低，且易于干扰流场，难以获取真实的流场信息[2]。非接触式测量主要以光学手段为主，如粒子图像测速法(PIV)[3]、相位多普勒粒子分析仪(PDPA)[4]等可实现快速、高空间分辨的流场测量，但通常需要加入示踪粒子，由于燃烧瞬间的不可控性，难以使示踪粒子均匀分布于流场中，且粒子信号易被较强的火焰辐射信号湮没，测量系统的复杂性也限制了其应用。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)通过测量燃烧产物中某种分子的吸收光谱特征，根据多普勒效应建立的光谱频移和分子速度之间的关系来获得气流流速，具有非入侵、快速响应、高光谱分辨、结构紧凑等特点，并可以实现温度、组分浓度、速度等多参数同时在线测量[5]。

目前，TDLAS技术已经在风洞、发动机进气道、燃烧室出口流速测量方面得到了国内外研究机构的重视。斯坦福大学高温气体动力学实验室 Hanson等[6-7]在TDLAS 技术的流场测量方面处于领先地位， 目前已经将 TDLAS 系统成功地应用到超燃冲压发动机飞行实验中,实现了进气道质量流量捕获测量和尾喷口流速、组分测量。Kent[8]将气体流速和浓度测量相结合，实现了氧气质量捕获测量。Shawn[9]将TDLAS技术用于高超声速气流流速测量，利用H2O吸收线测得大于10马赫的高速气流。美国空军WPAFB实验室和Southwest Sciences，Zolo Technologies公司合作，将该技术用于高超声速国际飞行研究实验项目(HIFiRE)，并开发出多参数同时测量的TDLAS小型化便携系统，在紧凑的封装内可在线测量组分、温度、流速等参数[10]。贾良权等[11]以760nm处的O2吸收谱线作为测量对象，实现高速流场的质量流量捕获测量。李飞等[12]使用TDLAS技术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、浓度等参数的测量。

取决其视线测量的原理，TDLAS技术需要光束传输路径上无明显干扰，如大颗粒遮挡光路、大折射率梯度引起光路偏折等因素，都会给测量结果带来影响，故多用于纯气体测量环境。而固体推进剂装药燃烧产物中通常包含粉尘、颗粒等挡光因素。本研究首次探索了TDLAS技术在该场合的应用，在固体推进剂装药发动机出口处布置交叉光路，利用直接吸收技术，选取燃烧产物之一的H2O分子位于1392nm处的单根吸收谱线，进行了静态和动态测量试验，验证了该技术用于固体推进剂装药羽流流速测量的可行性。

1 实 验

1.1 测量原理

1.1.1 TDLAS直接吸收测量原理

当强度为I0、频率为υ的光束通过一段气体介质时，吸收会使光强发生衰减，根据Beer-Lambert定律，对于单成分待测气体分子，定义吸光度A(υ)为:

(1)

=S(T)pXL

(2)

根据式(2)，积分后的吸光度不依赖于线型函数，根据积分面积即可反演出气体的压强p、浓度X或与温度相关的S(T)，简化了算法复杂度，提高了对测量环境的普适性。直接吸收原理如图1所示[13]。

图1 直接吸收技术示意图 Fig.1 Schematic diagram of direct absorption technique

1.1.2 流速测量原理

根据多普勒频移原理，当气流流速在激光传输方向上存在速度分量时，运动的气体分子接收到光子表观频率与实际激光发生频率υ0之间有一定偏移，二者频率之差即为多普勒频移Δυ。通常采用双光路测量方法，见图2，当光路对称布置时，两条光路上探测器接收到的激光频移大小通过式(3)计算

(3)

式中：υ0为吸收谱线中心频率；u为气体流速；c为光速，流速计算中取3×108m/s；θ为光束和流速垂直方向的夹角。

实际测量中，对原始光强信号做基线拟合扣除背景，得到两条光路上的吸光度曲线，通过频率定标和峰值拟合后，即可得到如图3所示的谱线频差。

图2 双光路流速测量示意图Fig.2 Schematic diagram of double optical paths for flow velocity measuring

图3 双光束频差示意图Fig.3 Schematic diagram of double optical beam frequency difference

1.2 试验装置

试验中使用的双基和改性双基推进剂的燃烧产物中均有水分子存在，故选取H2O分子在1392nm附近的吸收谱线用于流速测量。

TDLAS流速系统分为光学收发和测量控制两部分，前者包括抗振动的光机收发结构，在燃烧区域实现双光束的准直发射和聚焦接收，后者实现电子学控制功能，如激光器控制、探测器信号处理、数据采集和算法处理等，系统构成如图4所示。光束夹角90°，光束交叉点距离发动机出口30cm，为减少燃烧区域两侧静态空气中的H2O吸收干扰，在不干扰流场的前提下光程需尽可能缩短，参考对燃烧羽流宽度的经验值，光束沿流速垂直方向宽度为50cm。

试验中选用NanoPlus DFB(Distributed Feed-Back)激光器，设置工作温度为30℃，中心出光波长1391.7nm，调节激光器注入电流范围，使其波长扫描范围约为0.3nm，扫描重复频率为1kHz。扫描波形为占空比99%的锯齿，激光器平均出光功率为3mW。经由分束器分束后，分别经过自主设计的准直器出射。接收端利用感光面直径3mm的InGaAs探测器接收，前级I-V转换增益103V/A，带宽2MHz，主控芯片选用MCU STM32F407，Cortex M4F内核，最高主频168MHz，集成硬件浮点运算单元，利用片上ADC完成光谱数据的转换采集，采样率设置为800kHz，采样精度12bits。每个扫描周期采集点数为800，取16个周期数据累加平均，理论可提高2位有效位数。在线进行光谱数据处理与计算，响应时间30ms，得到的流速结果存储在板载Flash中，试验结束后经由主控芯片将数据读出。小型化系统使用四节18650锂电池供电，功耗小于5W，采用割线方式触发采集。

图4 双光束直接吸收法测速示意图Fig.4 Schematic diagram of velocity measuring with double optical beam and direct absorption technique

2 结果与讨论

2.1 标定结果及双光路光谱信号

在反演流速时，需要得到两条光路上吸收峰值在频率域的偏移量，而由数据转换采集到的波形数据为时域信号，需要对激光器在其出光范围内进行波长标定，获取每个采样点上的相对频率，从而进行流速反演。波长标定通常利用干涉计实现，获取的原始干涉信号见图5，其中相邻干涉峰值之间的波长变化为干涉计的自由光谱范围(FSR)，通过对干涉信号做背景扣除、寻峰、拟合后，得到采样点数和相对频率之间的关系如图6所示。利用最小二乘法拟合，并将标定过程中采样点数压缩至与小型化样机中采样点数一致，选用高次拟合关系，得到相对波数υ(n)=( 8.36709879×10-5×n3-0.206195211×n2+ 28.0125375×n-477.432750)/29979.2，其中n为采样点数，在拟合峰值位置后，其取值并不局限于整数，υ(n)单位cm-1。

图5 波长标定中的原始干涉信号Fig.5 Raw interference signal of wavenumber calibrating

图6 激光器出光波长的频率标定曲线Fig.6 Frequency calibrating curve of the laser output

在实验室环境中，对零流速进行了测量验证，搭建光程近似相等的平行双光路，在没有流速时输出各自光路上的原始信号和吸光度信号,如图7所示。首先对吸光度信号做粗略峰值查找，定位至整数峰值点后，对该点左右小范围内(20个点)做最小二乘拟合，拟合后的二次函数最值点作为最终吸收峰值位置，用于流速计算。

图7 零流速时双光束的原始信号和吸收峰相对位置Fig.7 Raw spectral signal and relative index of absorption peak under zero velocity

由图7可知，在零流速状态下，多普勒频移量约为0.0015cm-1，换算得流速为45m/s，该频移可作为系统本底偏移，在测量中进行扣除。

2.2 测量原理可行性验证

首先，在火箭橇静止状态下，分别测量了双基推进剂和改性双基推进剂装药的羽流流速，并与同时测到的发动机工作压强进行对比，结果见图8。由图8可知，测得的羽流流速曲线与压强曲线变化趋势一致，其中双基推进剂流速在点火初始时刻产生一个峰值，随后流速缓慢上升至位于0.9～1.39s的稳定区，整个点火过程中平均流速为831.8m/s；改性双基推进剂装药流速在达到1100m/s后直接达到位于0.33～0.88s的稳定区，并且在该时段内缓慢下降，整个点火过程平均流速为1057.5m/s。由于流速测量的响应速度远小于压强采样速率，部分快速变化的细节并没有及时测量到。另外，由于流速测量位置位于发动机出口后30cm处，而压强曲线变化直接反映发动机的内部情况，故从测得曲线上可以看出，流速响应滞后于压强变化[1]。

图8 双基推进剂装药和改性双基推进剂装药燃烧过程中羽流流速和发动机内压强随时间的变化曲线Fig.8 Change in plume velocity and pressure in the combustion chamber with time for double-base propellant charge and composite modified double-base propellant charge

通过对比可知，TDLAS技术在该测量场合能真实反映出流速的变化趋势，从流速测量结果可以推测出压强的变化趋势，验证了该技术在固体推进剂装药流速测量中的可行性。

2.3 在线测量试验

利用前文提到的小型化测量样机，搭载火箭橇，进行动态测量实验。样机集成锂电池供电，可持续工作2h。试验中，前2s先由助推火箭将火箭橇加速至240m/s，然后发动机开始工作0.5s，发动机燃烧结束后，借助轨道上的水袋使火箭橇减速至静止。试验中记录的双光路多普勒频移和羽流流速测量结果见图9，从图9(b)可看出，在0～2s内，速度近似线性加速至240m/s，在第2s时刻，发动机开始工作，流速上升至稳定区，平均流速1249.8m/s；0.5s后，推进剂装药燃烧结束，流速降至助推末段的240m/s，并接近匀速保持到第4s到达水袋时刻，由于水袋破裂，大量液态水遮挡光路，第4s后数据无效。

图9 试验过程中的多普勒频移和测得的羽流流速曲线Fig.9 The Doppler shift curve and measured plume velocity curve in experiment

3 结 论

(1)经过静态和动态试验验证，TDLAS技术作为一种非接触式光学测量手段，利用燃烧产物H2O分子位于1392nm处的吸收谱线，可有效测量固体推进剂装药羽流流速，且羽流流速变化和发动机压强变化具有一致特征，为衡量发动机燃烧状态提供了一项新的测量参数。

(2)TDLAS技术借助其结构紧凑、低功耗、易集成等特点，可用于开展随发动机飞行的动态羽流流速测量，是获取实时在线燃烧状态参数的一个有效途径，小型化羽流流速测量系统为后期在线测量方案提供了参考。

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Measurement Method of Plume Velocity for Solid Propellant Charge Based on TDLAS

YAO Lu1, YAO De-long2, YI Jian-hua3, KAN Rui-feng1, YANG Yan-jing3, XU Zhen-yu1, RUAN Jun1, LIU Jian-guo1

(1.Key Lab of Environment Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China; 2. Test and Measurement Academy, China North Industries Group, Huayin Shaanxi 714200, China; 3.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

A new method based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS) was introduced to measure the plume velocity of solid propellant charge, which was achieved by selecting one absorption line near 1392nm of the major combustion product-H2O through frequency calibration, cross arrangement of optical path, and using the Doppler frequency shift effect. In the static state test, the characteristic curves of the plume velocity and the pressure curve in the combustion chamber were compared, the feasibility of the technique for the measurement of the plume velocity of solid propellant was verified. A compact measurement prototype was developed, which is powered by lithium battery, the response time is 30ms, the mass is 2kg, the power consumption is less than 5W, the velocity is measured online and the result is stored.The dynamic test flight on the rocket sled was carried out,and the available results of plume velocity were obtained.The results show that TDLAS can be used to measure the dynamic plume velocity and it is an effective process for obtaining the online combustion parameters.

tunable diode laser absorption spectroscopy; TDLAS; solid propellant charge; plume velocity

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.005

2016-07-14；

2016-08-26

国家自然科学基金青年科学基金项目(No. 61205151)

姚路(1987-)，男，博士，从事激光光谱测量及诊断技术研究。E-mail: lyao@aiofm.ac.cn

TJ55;V512

A

1007-7812(2016)05-0035-05