固体火箭发动机动态燃速-动态烧蚀测量技术研究

西安航天动力测控技术研究所 陕西 西安 710025

1 引言

固体发动机的燃速作为一项重要的固体推进剂内弹道参数,对推进剂的研制以及生产起着重要的指导作用。烧蚀率是评价热防护材料和热防护系统的一个重要指标,材料的烧蚀情况直接影响发动机的结构可靠性。因此多年来,国内外许多专家学者致力于固体推进剂燃烧特性的研究,力图掌握固体发动机实际工作条件下的燃烧规律。为此,一些新的实验装置和测试技术随着测量技术的发展相继而出,并不断发展完善。本文重点研究超声波法在固体推进剂动态燃速测量上的应用以及RTR技术在发动机动态烧蚀测量上的应用。

2 固体火箭发动机动态燃速测量

发动机点火时的动态燃速是与发动动态特性密切相关的参数之一,当固体火箭发动机推进剂不稳定燃烧时,会使燃烧室压强产生波动,从而导致推力波动,这有可能导致火箭偏离预定轨道,甚至会产生爆炸。另外,强烈的震荡还会使火箭的某些零部件失灵和损坏,从而造成不可预估的事故。在固体火箭发动机研制过程中,为了准确分析和预估发动机性能,必须掌握发动机实际工作状态下的动态燃烧特性。

2.1 超声波 国外从20世纪60年代开展将超声波技术应用于测量固体推进剂燃速的研究,其原理是推进剂自身燃烧产生的燃气在密闭燃烧器中逐渐增压,从而在一次实验就可以测出燃速-压强关系曲线,优点是推进剂用量少,实验次数少,并且可以获得实时的燃速-压强函数关系,测试结果和发动机实际燃速有较好的一致性,20世纪90年代,该方法又用于非稳态燃速的测试(测量推进剂燃速的压强响应函数),研究固体发动机内弹道性能及不稳定燃烧特性,近十年来,出现了将超声探头直接安装在发动机外壳的超声波测量技术,用来研究全尺寸发动机的推进剂燃速特性和绝热层烧蚀情况。国内使用超声波测量燃速的研究起步较晚,初步应用在药条测试和固体燃料的热解速率测量。

2.1.1 超声波测量燃速原理 超声波测量燃速的原理实际上是根据在不同时刻测量得到的推进剂厚度来得到燃速,即

式中:r为燃速;l为推进剂厚度;t为燃烧时间。

超声波法是一种发射-回波方法。超声波传感器既是声源,又是回波接收器,因此可使用单个超声波探头来测量燃速。实际测量过程中,在超声波传感器和推进剂之间用耦合材料作为过渡层。耦合材料的引入一方面可以使测量持续到零厚度(因燃面温度很高会损坏探头),另一方面也可以把传感器与发动机内部恶劣的温度、压力环境隔离。

如图1所示,超声波通过探头发出,在穿过耦合材料和推进剂的过程中,因为材料界面的声阻抗不同,声波会在界面上反射形成回波.第一个波形是超声波传感器发射的脉冲,中间的波形是耦合材料与推进剂界面的回波信号,第三个波形则是燃面的回波信号.因为超声波经过每个材料界面都会反射并损失能量,并且穿透材料时也会损失能量,所以从推进剂燃面反射的回波信号可能很小,在实际测量中需要增大信号增益。通过声波发射和接收所经历的时间间隔就可以求出材料的厚度.随着推进剂燃烧,通过周期性声波脉冲就可以连续监测推进剂厚度的变化,再对时间进行微分就可以得到燃速。因为实测中需要指定采集频率f,采样时间间隔Δt=1/f,所以燃速为

式中:l2、l1表示相邻采样时刻测得的推进剂厚度;c表示超声波在介质中的传播速度;t2和t1分别表示两个相邻测量中超声波在介质中传播的时间长度;Δt表示相邻测量的时间间隔。为了达到实时性,要求采集设备必须能够精确测量时间。

图1 超声波测量燃速原理

2.1.2 超声波在发动机壳体结构中的传播 因为测量燃速主要利用的是纵波(垂直于探头的波)的脉冲反射,所以这里仅考虑纵波的传播。固体介质中,纵波的声速为

式中:E为介质的杨氏弹性模量;ρ为介质的密度;σ为介质的泊松比。声阻抗

而超声波在多层介质中传播时,在不同材料的交界面会发生声波反射和透射现象,且反射率和透射率与界面两侧介质的声阻抗相关。当超声波从一种介质(以下采用下标a表示)传播到另一种介质(以下采用下标b表示)时,在两种介质的分界面上,一部分能量反射回原介质内,称为反射波;另一部分能量透过界面在另一种介质内传播,称为透射波。对应的声压反射率为

根据上述公式中,当Za>>Zb时,R≈1,T=0,说明声压几乎全反射,没有透射。例如在测试中,如果超声波探头和被测介质之间不加耦合剂,就会形成固(探头晶片)/空气界面,因为空气的声阻抗很小,所以超声波将无法进入被测物。为了说明超声波在固体火箭发动机中的传播特性,表1列出了典型发动机材料的声学特性。

表1 典型发动机材料的声学特性

显然,钢的声阻抗显著大于非金属材料的声阻抗,根据式(4)式～(7)式可知,若发动机采用钢壳体/绝热层/装药结构,则超声波在壳体/绝热层界面的声强反射率R=0.872,透射率T=0.128,仅为13%左右。显而易见,若发动机壳体采用钢一类金属材料,在利用超声波测量燃速时,声强透射率很低,为了获得有效信号,就必须在壳体上开窗。

根据表1的数据,当固体发动机采用复合材料壳体/绝热层/推进剂(AP/HTPB/Al)结构时,在壳体/绝热层界面上的声强透射率T=0.776,在绝热层/推进剂界面上的透射率T=0.618,总的透射率为0.480.显然绝热层在很大程度上降低了超声波的透射率,使得声波到达燃面的能量减弱。

非金属壳体材料的声阻抗较小,受材料加工过程的影响较大,材料内部的细微裂纹等缺陷(其中存在气体)会较严重地影响超声波的传播。例如图5测量了4种非金属材料的超声波回波信号。图2中所示的碳纤维编织的壳体,需要较大的信号增益才能够获得图示的清晰回波,而与之声阻抗接近的高硅氧/酚醛树脂材料就可以在较小增益的情况下获得较好的回波信号。当壳体材料含有缺陷时,例如基体材料不够致密而形成微孔洞,甚至无法得到反射波形。另外,对于含有金属粉末的复合推进剂(如图5中的HTPB基燃料含有15%的铝粉),因为材料中含有各种细观上的不同物质颗粒,所以超声波在其中的散射较多,信号衰减比较明显,当信号增益调节到20dB时,才能获得清晰可见的回波。

图2 非金属材料的超声波回波信号(左为实物照片,右为回波信号曲线)

2.1.3 超声波试验测量系统 测试系统由密闭燃烧器、点火控制器、压强测量系统(压力传感器和测量软件)、超声燃速测量系统(超声波探头、数据采集卡、测量软件)组成.首先根据需要确定需要测量的压强范围,通过计算给定黑火药量和密闭燃烧器容积,待推进剂和点火药安装完毕后启动压强与燃速测试系统,最后进行点火测量。

实验装置如图3所示,为密闭燃烧器.这样在推进剂燃烧过程中压力会随之升高,从而一次实验可以获得不同压强下对应的推进剂燃速.耦合层材料为环氧树脂.泄压孔接高压电磁阀泄压。推进剂开始点燃的初始压力由点火药和燃烧器容积共同控制.点火药使用黑火药,其燃气特性(燃温、比热、气体常数等)可以由发动机热力计算获得,这样根据理想气体状态方程

可以得到初始压强.其中黑火药生成的燃气量n可控,密闭燃烧器容积v可以通过在其中装填石墨块来调节。

图3 超声波测量燃速试验装置简图

3 固体火箭发动机动态烧蚀测量

固体火箭发动机绝热层的厚度及其几何形状直接影响着发动机的质量比和结构可靠性,而绝热层的设计是根据其烧蚀情况来确定的,因此绝热层的烧蚀一直是人们关注的问题。绝热层的工作环境十分恶劣,它要经受高温高压燃气的烧蚀和凝相颗粒的冲刷,尤其是高过载或某些装药形式造成的高温稠密两相流进一步恶化了发动机绝热层的工作环境,严重时甚至会导致内绝热层防护失效,发动机壳体烧穿。由于烧蚀严重所造成的发动机失效,在导弹飞行试验和发动机地面试车中已经屡有发生。通过对发动机残骸内绝热层的检测发现,烧蚀最严重的区域是那些暴露在燃气中时间较长、颗粒冲刷最严重的区域。

通常绝热材料的烧蚀率是通过测量发动机点火前后绝热层的厚度变化然后除以烧蚀时间来获得的,这只能获得平均烧蚀率,不能反映真实的烧蚀过程。如对采用摆动喷管的发动机来说,当喷管动作时,发动机内流场的变化会导致某些部位的烧蚀情况出现异常,此时就需要对绝热层的动态烧蚀情况进行测量以采用相应的防护措施。数值计算表明绝热材料在烧蚀过程中烧蚀率随时间是变化的,尤其是起始阶段变化更为明显,但由于目前常规的测试手段无法对绝热层烧蚀过程进行动态测量,因此无法对该结果进行验证。另外由于高过载条件下绝热层烧蚀规律有其特殊性,高温稠密两相流冲刷造成的机械剥蚀占据了主导地位,绝热层各位置烧蚀率相差很大,颗粒冲刷中心部位甚至能够形成一个凹坑。本文开发的RTR绝热层烧蚀动态测试技术可以对绝热层的烧蚀进行实时测量,从而解决了烧蚀结束后绝热层被完全烧掉和烧蚀后绝热层发生膨胀变形等无法采用传统的烧蚀测量方法获得烧蚀率的问题,具有创新性。

绝热层烧蚀的动态测试技术不仅可以为发动机的热防护设计提供帮助,对其进行适当的变化后也可用于大长径比装药的侵蚀燃烧研究、固体发动机固体推进剂的燃速影响因素研究以及高过载对装药的燃烧影响研究等领域,从而为提高发动机的总体设计水平提供强有力的技术支持。

3.1 RTR 实验系统

3.1.1 RTR系统布局 图4是整个RTR系统总体布局示意图。X射线由X射线发生器发出,呈30°的圆锥向外辐射,试验发动机处于辐射锥内,其轴线与X射线锥中心线位于同一平面。射线穿过发动机后由碘化艳接收屏接收,不同的强度的X射线将使接收屏发射不同能量的电子,这些电子经过加速、聚焦后打在荧光屏上,便可以输出亮度不同的可见光图像,这个过程一般小于1μs,因此有足够的时间响应特性,从而在观察高速运动过程时不会产生图像拖影。图像采集与处理系统的任务是实时记录并保存绝热层烧蚀界面退移的情况以便以后的分析讨论。图像采集与处理设备采用的是美国EPix公司为科研和企业开发研制的图像处理系统—PIXCI。PXICI可以提供交互式图像处理(如分析图像的尺寸、象素值和色彩等),并且可以处理其他图像。PIXCI可以人为地调节录像格式、分析形式和录像频率等参数,实现长时间实时录像和处理,并将结果以BMP和AVI格式存盘。CCD摄像头为美国KODAK公司的ES310。该系统最高拍摄速度为85幅/秒,图像分辨率为640x480,适合于绝热层烧蚀的动态分析。摄像头得到的图像信号由图像采集卡直接转换为数字信号,存储在计算机内存中,拍摄结束后可以利用EPIX的图像采集及分析软件对内存中的图像进行分析和纪录。摄像头通过100英尺的信号线同图像采集卡相连,可以实现远距离的控制和采集。压强信号由DH—5937动态应变测试仪采集。多回路时间控制器用于控制点火信号和高速运动分析仪的触发。

图4 RTR测试系统布局图

3.1.2 RTR图像处理技术 通过RTR技术获得绝热层烧蚀的动态图像只是这种动态测试技术的第一步,定量的烧蚀率数据还需要通过对图像进行进一步加工处理才能获得。针对RTR图像的特点,应用了背景减影、图像增强、图像分割、噪声过滤、图像叠加等图像处理手段对其进行处理,获得了较清晰的颗粒运动轨迹图像。其结果表明图像处理技术是开展利用TRR技术进SRM两相流研究的关键环节之一。实际上,根据希望获得的结果不同需要对RTR图像采用不同的处理方法,结合使用MATLAB6.5和通用图形图像处理软件PhotoshopCS来对试验图像进行处理。由于拍摄得到的图像为灰度模式,灰度图像中的每个像素都有一个0(黑色)到255(白色)之间的亮度值(共256级灰度)。从原始图像中可以看出,观测窗中无试件部位亮度较高,绝热层试件部位亮度较低,观测窗以外区域则亮度最小。但由于各部分之间的界面灰度变化梯度较小,这给图像处理带来了较大的难度。

MATLAB强大的图像处理工具箱可以方便的用来对RTR系统采集的图像进行处理。MATLAB的Imgae Processing Toolbox提供了大量用于图像处理的函数,利用这些函数可以分析图像数据,获取图像细节信息,并且设计相应的滤波算法,滤除图像数据所包含的噪声。滤波器的设计是通过MATLAB产品提供的交互式工具完成的,这些工具还能够完成选取图像区域,测量图像误差和获取、统计象素信息等功能。图像处理工具箱还提供了Radon变换来重构X射线断层拍摄的图像,而离散余弦变换可以作为实现新的压缩算法的核心。工具箱中包含的边缘检测算法(如Cannny、sobel和Roberts方法等)可以用于表示图像中具体物体的边缘。图像处理工具箱中还包含了众多数学形态学函数,这些函数可以用于处理灰度图像或二进制图像,可以快速实现边缘检测、图像去噪、骨架抽取(skeletonization)和粒度测定(granulometry)等算法。

经过多次试验得到一个较好的处理流程如下:首先使用对比度调整函数提高原始图像的亮度,并使原始图像灰暗部分的动态变化范围大大增加,从而突出细节;第二步将图像旋转到方便测量的位置并裁切至合适的大小;第三步是对图像进行多次中值滤波,在保护图像边缘的同时去除噪声;最后采用canny算子进行边缘检测,获得感兴趣的边缘图像。在Photoshop中对提取出来的边缘图像进行测量就可获得试件烧蚀的变化情况。上述过程中有一些参数需要人为给定调整,因此不可避免的存在烧蚀率测量误差,但其反映的规律性结果不会受到影响。更精确的结果必须采取其它辅助措施来获得。

图5和图6分别是原始图像和其经过处理后获得的边缘图像,可以看出图像的边缘很清晰,而且连续性比较好。

图5 原始图像

图6 处理后的图像

4 总结

目前世界上的固体发动机动态燃速-动态烧蚀测量方法有很多,本文着重分析了超声波动态燃速测量方法的原理、应用状况以及关键技术和难点,特别是超声波在发动机壳体结构中的传播特性,对提高超声波的透射率作出了一定研究;分析了RTR测量动态烧蚀的关键技术,并给出初步的测量布局和思路。

然而上述方案更多是基于理论分析,能否真正应用于固体火箭发动机地面静态点火试验中并取得理想的效果还有待于试验验证。

进一步研究的建议:

(1)针对超声波动态燃速测量技术,对常用发动机材料的声学特性进行实测,提出处理超声波燃速数据的方法,并分析实测数据。

(2)设计合理的烧蚀试验装置,通过开展单因素强化条件下绝热层烧蚀过程动态测量,研究各冲刷状态参数对烧蚀的贡献,为烧蚀模型建立提供帮助。

(3)基于热能量守恒建立初步的动态烧蚀测量的数学模型,以用于对获得数据的分析。