自由装填增面药柱燃烧规律射线成像技术研究

申 鹏，吴新跃

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

自由装填增面药柱燃烧规律射线成像技术研究

申 鹏，吴新跃

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

通过X射线高速实时成像技术（Real Time Radiography，RTR）对自由装填增面药柱（单根药柱及多根药柱）的燃烧规律进行了试验研究，包括药柱的不同燃面同时点燃特性、燃烧终止前药柱结构状态、自由装填药柱混合燃烧特性，并通过建立压力与燃面几何关系，得到燃速公式，与采用标准燃速测定方式测得的结果进行对比分析。试验结果表明：该种方法用于测定药柱燃速方法有效，对药柱燃烧规律的研究具有重要意义。

自由装填；增面药柱；燃烧规律；X射线高速实时成像技术

0 引 言

增面药柱是一类在燃烧过程中火药的燃面逐渐增大的药柱。常见的增面药柱包括单孔侧面-端面包覆管状药柱、侧面开槽端面包覆管状药柱、侧包多孔管状药柱等。在各类固体火箭发动机（如姿轨控火箭发动机、弹射动力装置、点火发动机、底排弹）领域有广泛的应用。增面燃烧药柱多采用多根药柱自由装填的装药模式，药柱稳定燃烧时会受到初始燃面点燃一致性、混合燃烧等特性影响，并在燃烧终止前可能出现药柱破碎现象，影响内弹道性能。因而明确自由装填增面药柱燃烧规律对该种药柱的设计及使用具有重要意义[1～3]。

对药柱燃烧规律认识最为直接的方式是试验测试，而采用常规发动机测试方法（如燃烧室压力、温度测试）往往很难直观、准确地判断和掌握其燃烧及燃面变化规律。X射线高速实时成像技术（Real Time Radiography，RTR）是一种能有效研究不透明高压燃烧室或发动机内药柱燃烧及工作过程的非接触式诊断技术，适用于发动机工作条件下固体推进剂的燃烧机理、装药燃烧规律研究。文献[4]利用该技术研究了U型结构装药表面燃烧规律，并研究了石棉的丁腈橡胶炭化侵蚀率；文献[5]通过该种方法对含有氢化硼添加剂的高燃速推进剂燃烧特性进行了研究，证明在高燃速下，无燃烧不正常现象，没有容积燃烧和药柱破碎的情况，但都未对自由装填增面燃烧形式的药柱进行研究；文献[6]研究含有镁铝金属添加的富燃推进剂端面燃烧规律，证明了该种推进剂燃烧是符合端面平行推移规律，但都未对自由装填多根药柱的燃烧进行研究。

本文通过RTR对自由装填增面药柱（单根药柱及多根药柱）的燃烧规律进行了试验研究，包括药柱的不同燃面同时点燃特性、燃烧终止前药柱结构状态、自由装填药柱混合燃烧特性，并通过建立压力与燃面几何关系，得到了燃速公式，与采用标准燃速测定方式测得的结果进行了对比分析。试验结果表明：该种方法用于测定药柱燃速方法有效，对药柱燃烧规律的研究具有重要意义。

1 RTR系统[1,2]

RTR系统的工作原理是利用X射线对不同密度介质的衰减量不同，反映出其照射路径上介质厚度及密度的变化，从而用来研究发动机内装药的燃烧过程。

RTR系统主要由X射线源、试验发动机、图像增强器、高速摄像机、数据采集系统、发射控制系统等组成，见图1。

系统的工作过程为：X射线源产生X射线，以一定顶角的圆锥体放射透过试验发动机，而后被图像增强器吸收屏接收后，将不同辐射强度分布的射线转换成可见荧光图像，并被架设于其后端的高速摄像机采集得到图像，以数字形式存入记忆缓存区中，以便记录分析和实时观察[3]。

2 试验过程

2.1 试验件

试验发动机具有2种装药状态（见图2），分别为3根装药（见图2a）及单根装药（见图2b）。试验用药柱为侧壁开槽（6个槽）、中间留孔的柱状药柱，设计燃烧从中孔及侧壁开槽处同时燃着，燃面推移速度方向相反。

2.2 试验数据及图像

利用高速摄影仪对2个状态装药的发动机燃烧过程进行了拍摄，单根药柱及3根药柱装药试验过程图像分别如图3、图4所示。试验捕捉到的X射线图像完成，燃面边界清晰，可以真实地反映药柱燃烧过程。

2.3 试验数据处理

对采集到的X射线图像进行图像处理与数据读取，以侵蚀燃烧影响小，燃烧相对稳定的药柱内孔直径d作为燃速分析参数，得到肉厚-时间曲线及肉厚-压力曲线。燃速r采用直径d的导数表示，并且假定燃速符合维里方程（式（1））。对燃速-压力数据进行处理，存在离散的m组标定点数据，则有Q对lna与n的偏导数为0，解算得到式（3），进而求解得到压力指数n与燃速系数a的表达式（4），式（5）是由压力指数n与燃速系数a积分的形式表达[7,8]。

式中 r为燃速；a为燃速系数；p为燃烧室压力；P为压强指数；n为压力指数；m为数据采集点数；t1，t2分别为计算域的初始时间和终止时间。

3 试验结果分析

3.1 燃面的点燃一致性分析

燃面的点燃一致性是指药柱的初始燃面被点火药同时点燃的特性，一致性越高，药柱燃面推移燃烧越符合设计状态，燃烧室内弹道也越符合设计情况。试验对中心及侧边偏置两种点火药包空间布置状态药柱燃烧进行了拍摄，侧边偏置结果如图3b所示，其中点火药包位于图像左上角，图3b中未标示出。试验结果显示：距离点火药包近及朝向药包方向的燃面最先被点燃；距离较远且背向药包的燃面最后被点燃。以上得到的结论符合固体推进剂的点火理论。此外，试验测得药包侧边偏置状态燃面点燃时间差（最后被点燃的燃面与最先被点燃的燃面时间差）达到药柱整个工作时长的1/10，其点火时间差已不能忽略。

3.2 燃烧终止前药柱结构完整性分析

对于外壁面及内孔同时燃烧的增面药柱，在燃烧终止前药柱截面变小，粘连面积变小，在燃气流的作用下可能发生断药，破坏药柱燃烧过程的结构完整性。而通过试验观测结果可见，药柱燃烧终止前，出现了三角形药块，并逐渐减小，但位置未发生变化，与设计状态保持一致，验证了在燃烧终止前药柱结构未遭破坏。

3.3 燃速特性

采用X射线实时成像方法对某次单根药柱及3根药柱的燃烧过程进行了拍摄记录，结合压力数据进行处理，拟合得到了燃速公式。具体如下：

a）单根药柱燃烧。

测量得到的单根药柱内孔直径d与时间t曲线如图5所示。

通过式（1）计算得到的单根药柱燃速-时间曲线如图6所示。

对应得到单根药柱燃速-压强曲线如图7所示。

通过式（5）计算得到燃速系数及压强指数，得到燃速拟合公式：

该结果与药剂采取标准水下声发射法测得的压力指数数据n=0.3～0.4基本一致。

b）3根药柱燃烧。

测量得到的3根药柱内径-时间曲线如图8所示。图8中曲线分别对应图2a的安装位置（下同）。测试结果可见内孔直径变化规律差异较小，燃烧稳定，受到燃烧室内气流影响较小，可用于燃速的评定。

计算得到的3根药柱燃速-时间曲线如图9所示。

3根药柱燃速-压强曲线如图10所示。

通过拟合r-P曲线得到试验燃速和压强的拟合公式：

该结果与药剂采取标准水下声发射法测得的压力指数数据n=0.3～0.4基本一致，证明了该种方法用于测定药柱燃速的正确性。但计算得到的压力指数数据也存在一定的差异。经分析，该差异主要由燃面界面辨识误差造成。

4 结 论

通过以上试验及分析可得到如下结论：

a）成功开展了增面自由装填药柱燃烧燃面推移规律的X射线成像试验，图像数据采集完整，证明了试验方法及试验工装设计的正确性，以及采用此种方法研究自由装填药柱燃烧的可行性。

b）对药柱的燃烧图像分析得到不同在点火药包，各药柱燃面的点燃时间存在差异，药包中心布置比侧边偏置点燃一致性好。侧边偏置点燃时间差达到药柱整个工作时长的1/10。在药柱燃烧终止前，三角形药块图像清晰可辨，与设计状态图像保持一致，验证了在燃烧终止前药柱结构未发生破坏。

c）建立了燃烧室压力与药柱燃面位移之间的关系，推导得到用于积分计算燃速系数及压力指数的公式，拟合得到燃速公式，与药剂采用标准水下声发射法测得的压力指数数据基本一致，验证了该种方法用于测定药柱燃速的可行性。

d）燃面界面辨识误差是造成燃速拟合值差异的主要原因。

[1] 李昭月. 基于X射线实时成像系统图像处理与缺陷识别的研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2008.

[2] 杨智. X射线实时成像检测系统的研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2011.

[3] 石振峰. 射线实时成像检测技术在固体发动机装药[D]. 洛阳: 航空工业总公司014中心, 1997.

[4] 贺国强, 肖育民, 蔡体敏, 等. 固体推进剂燃气发生器燃烧规律内视研究[J]. 航空兵器, 1997(2): 30-34.

[5] 彭泽乡, 侯学程. 利用实时X射线照相系统对高燃速推进剂燃烧特性的研究[J]. 弹箭技术, 1994(1): 33-42.

[6] 张国宏, 孙振华, 刘佩进. 富燃料推进剂端面燃烧规律的X射线诊断研究[J]. 弹箭与制导学报, 2008(28): 139-142.

[7] 李宜敏, 张中钦, 张远君. 固体火箭发动机原理[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1991.

[8] 庞爱民. 固体火箭推进剂理论与工程[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2014.

Research on Burning Law of Free Loading and Inceasing Burning Area Grain by Real Time Radiography Technology

Shen Peng, Wu Xin-yue
(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The combustion law of free loading grain in gas generator is studied by using of RTR (Real Time Radiography) technology. The research content included the ignition character if burning surface, grain structural integrity before end of burning, and the mixing burning character of free loading grain. The relationship between pressure and burning surface and burning rate equation has been obtained. The difference of burning rate measurement result between RTR technology and standard measure method also has been analyzed. The experimental shows that RTR technology is effective on burning rate measurement, and it is useful for researching combustion law of grain.

Free loading propellant; Increasing burning area propellant; Burning law; Real time radio graphy technology

TJ768

A

1004-7182(2017)03-0080-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170317

2016-05-15；

2017-02-13

申 鹏（1987-），男，工程师，主要研究方向为发射装备及应用技术