基于蓝光阴影图像法的固体推进剂药条燃速测量方法①

胡海航,樊 荣,杨 杨*,万代红,时志权,邓栩昌,杨 斌

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093;2.上海航天动力技术研究所,上海 201109)

0 引言

燃速是表征固体推进剂燃烧性能的重要参数之一[1-4]。目前,固体推进剂燃速测量方法主要有靶线法[5]、水下声发射法[6]、超声波法[7-8]、密闭燃烧器法[9-10]、图像法[11]等。其中,靶线法、水下声发射法都是通过测量固定长度推进剂的燃烧时间并由此计算平均燃速,以平均燃速来表示燃速的大小。王英红等[12]对靶线法燃速仪的测试计时系统进行了改进,有效解决了残渣导电对燃速测试的影响,提高了测试效率。石磊等[13]通过在药条支架上安装绝缘防烧蚀挡板,在燃烧室管路系统中使用过滤除尘器等方法,有效地解决了贫氧推进剂靶线法燃速测试中出现的非正常砸断、管路堵塞以及压强波动无法监测等问题,提高了测试精度。KUMAR等[14]利用靶线法对推进剂燃速进行测量,获得了AP/HTPB复合推进剂在低压条件下(13～100 kPa)的燃速,并研究了不同燃料(铝和硼)和不同催化剂(丁基二茂铁和氧化铁)对AP推进剂在亚大气压下燃烧特性的影响。张劲民等[15]通过研究贫氧推进剂燃烧声信号的频带特性和不稳定特性结合计算机技术,研制了更适用于贫氧推进剂燃速测试的新型声发射燃速仪。BUDHWAR等[16]利用声发射燃速测试系统对AP复合推进剂燃速进行测量,发现改性的氧化铁纳米颗粒使得燃速发生了显著的变化。为了获得动态燃速,可通过多靶线设置获得准动态燃速[17],多靶线法是裴庆等[18]在靶线法的基础上提出的一种自升压式动态燃速的测试方法,与靶线法相比能够更清晰地表征出药条的动态燃速。多靶线法理论上能够获得药条的动态燃速,但实际上相邻的靶线也有一定的间距,因此多靶线法也只能得到准动态燃速。针对动态燃速的测量,基于超声、图像技术等原理的方法也得到了广泛的研究。孙得川等[19-20]利用超声波数据采集卡搭建了超声波实时燃速测量系统,经过实验得到了低压范围内的实时燃速数据以及燃速与压强的对应关系,并将其运用到固体火箭发动机中,能够有效获得装药厚度变化。罗天佑[21]针对超声波法测量固体推进剂燃速工业化应用的可行性进行了讨论与分析,修正了燃烧室压强对测试结果的影响,设计了专门用于超声波技术的高压密闭燃烧器系统并进行了实际点火测试。HASEGAWA等[22]利用超声法,并结合小波分析方法分析了由于多普勒效应而发生频移的反射波,能够得到固体推进剂的瞬时线性燃烧速率,为固体推进剂的不稳定性研究提供了有力的工具。为了能够满足固体推进剂制造工业中的常规测量需求,JEENU等[23]提出了一种用小圆柱试样进行超声波法燃速测试的方法,并且验证了其测量的可靠性,同一批推进剂的燃速测量标准差小于1%。但超声法的测量精度容易受到外界环境因素的影响。图像法具有能够在不影响推进剂燃烧的情况下对推进剂药条动态燃速进行非接触式测量优势。PENG等[11]运用数字图像处理的原理,根据图像定位出推进剂在各时刻的燃烧面,采用数字图像处理方法对瞬时燃烧速率进行了测量,测量精度可接受。RISHA等[24]利用图像法研究了铝冰推进剂在小型发动机中燃面的推移,计算出线性燃速与燃速压强指数;罗中平等[25]运用图像法对双铅-2固体推进剂在静态条件下进行动态燃速的测量;余协正等[26]利用图像法对石英玻璃管中B/KNO3的燃烧特性进行了研究。ARKHIPOV等[27-28]利用图像法对在压强突降条件下推进剂的燃速变化的研究,且观察到压强突变时火焰结构和燃烧表面的变化过程。JAIN等[29]利用红外相机捕捉推进剂燃烧过程,通过跟踪火焰反应区的最亮点来确定推进剂燃速。KATHIRAVAN等[30]利用CCD相机通过石英窗口连续捕获推进剂燃烧过程图像,通过分析每一张图片连续火焰峰的位置,从而获得推进剂燃速。

图像法测量燃速可以获取药条燃烧的实时燃速,并且不存在靶线熔断时间滞后的问题,可以改善异常燃烧现象等随机过程对燃速测量系统不确定度的影响。但目前图像法测量燃速仍存在一定的问题,在图片采集过程中,由于火焰自发辐射光较强,很难识别到燃烧端面,这对图像处理过程中燃面的识别有较大影响,并且由于药条包覆层的存在,药条会出现残渣堆积的现象,从而会对测量结果产生影响。因此,为了解决上述图像法燃速测试中的问题,本文提出了蓝光阴影图像法测量固体推进剂药条燃速的方法,并开展了不同配方推进剂药条的实时燃速测量实验研究。

1 蓝光阴影图像法燃速测量系统

典型固体推进剂燃烧火焰辐射光谱如图1所示,火焰辐射光主要集中在500 nm以上,为了消除固体推进剂燃烧火焰辐射对燃面识别的影响,选用蓝光LED光源,其光谱主要集中在450 nm附近。因此,通过蓝光光源与蓝光滤光探测结合的方式对固体推进剂药条燃烧过程进行成像,可过滤火焰辐射光,仅对蓝光光源及固体推进剂药条阴影图像进行成像。测量系统结构示意图如图2所示。

图1 推进剂自身辐射光与蓝光光谱Fig.1 Original radiation spectrum and blue light spectrum of solid propellant

图2 测量系统结构图Fig.2 Structure schematic diagram of the measuring system

通过连续采集药条燃烧过程中的图像,并对采集到的图像进行处理,可以得到不同时刻药条的高度,根据连续拍摄图片中药条的高度差以及采集图片的时间差,可以得到药条的实时燃速。其中,本文所测药条形状为长方体,尺寸为5 mm×5 mm×120 mm,实验中点火方式为电点火,实验过程中同步进行靶线法燃速测试,为使药条保证成稳定的平行层燃烧,点火后有一段长20 mm的稳定燃烧段。

2 蓝光阴影图像识别处理与精度验证

在进行实验前需先用标定板标定相机镜头参数,标定好以后保持各参数不变进行实验。实验在通风较好条件下的实验室展开。将推进剂测量药条置于常压的实验台上,实验台上方设有抽气罩,以便将药条燃烧产生的烟雾清除,保持实验室空气洁净。利用图像法分析燃速的关键就是对图像信息进行处理,对药条图像信息处理后首先得到的是像素个数,为了获得药条实际高度,需要知道单位像素代表的实际尺寸。因此在进行实验前,需要对相机及镜头参数进行标定。标定实验如图3所示。本文采用的镜头为远心镜头,工作距离为350 mm,标示放大倍率为0.1倍,像元尺寸为3.45 μm。

图3 标定实验Fig.3 Calibration experiment

本实验通过选择标定尺上3根不同线条进行标定,以获得单位像素相对应实际视场尺寸。标定图像如图4所示,标定结果如表1所示。

图4 放大倍率为0.1倍的标定图Fig.4 Calibration diagram with a magnification of 0.1

表1 标示放大倍率为0.1倍的标定结果Table 1 Calibration results of the test system with a magnification of 0.1

3 固体推进剂药条燃速测试结果与分析

3.1 直接成像法与蓝光阴影图像法的对比

由于直接成像法受自身辐射光的影响大,对后期图像处理造成了很大的困难。针对此问题,本文提出蓝光阴影图像法对固体推进剂药条燃烧过程成像。本文以药条在两种不同成像方法下得到的数据来进行比较。图5为药条燃烧过程中,不同时刻直接成像法和蓝光阴影图像法捕获的图像。可以明显观察到,直接成像法采集到的图像受药条火焰自身辐射光的影响非常大,在不同的燃烧状态,图像亮度忽明忽暗,药条边缘被自身的辐射光淹没,无法获取端面信息,对后期图像处理带来很大困难。而蓝光阴影图像法成像捕获的图像对比度更高,边缘更加清晰,消除了药条火焰自身辐射光对成像的影响,能够清晰稳定地获取燃烧过程中各时刻的药条端面图像。以燃烧后第11.2 s的药条图像为例,直接成像法和蓝光阴影图像法处理图片流程分别如图6、图7所示,对采集到的相片经过图像处理技术获得每张图片的药条高度信息。先将图像转换为数字图像,将其灰度化,再通过中值滤波的方法对其图片进行去噪,经过锐化增强其对比度,然后将图像二值化,从而提取端面平均高度。可以发现直接成像法的边缘较为模糊,并且由于自身辐射光影响,出现还未燃烧。但处理后的图像上药条有空隙的现象。

(a)Direct imaging method

(b)Blue-light shadow image method图5 直接成像法和蓝光阴影图像法在燃烧过程中成像图片Fig.5 Image pictures of direct imaging method and blue-light shadow image method in the combustion process

图6 直接成像法的图像处理流程(原图→灰度化→ 去噪→锐化→二值化)Fig.6 Image processing process of direct imaging method (original image→gray image→denoising image→ sharp image→binary image)

图7 基于蓝光阴影图像法的图像处理流程 (原图→灰度化→去噪→锐化→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)

实验过程中发现,由于包覆层的存在,使得一些特定材料包覆层药条在燃烧时会出现包覆层残渣堆积的现象,如图8(b)所示。这会使得图像处理过程中难以准确的捕获燃烧端面,造成蓝光阴影图像法燃速测量时出现异常。

(a)No residue

(b)Residue图8 不同药条燃烧过程中的残渣堆积现象Fig.8 Residue accumulation phenomenon in the combustion process of different propellants

针对由于包覆层残渣堆积引起的燃速测试异常问题,在图像处理过程中可以识别每张图片燃烧端面最高点与最低点像素点的差值Δh,利用z-score[31]对Δh进行分析,z-score的公式:

式中μ为平均值;σ为标准差;z为样本值距离平均值多少个标准差。

通过观察,在药条燃烧过程中出现残渣堆积现象时,Δh值也会较大,本文结合实验实际情况,当z>1时,药条燃烧端判别受到残渣堆积的影响较大,应当将该图片剔除,从而削弱残渣堆积对燃速测量的影响。推进剂药条A某时刻下的燃烧端面如图9(a)所示,图9(b)表示推进剂A在不同时刻下燃烧端面的Δh,经过计算,Δh的平均值为35.4 pixels,标准差为4.9 pixels,因此剔除掉Δh>40.3 pixels的图片。

(a)The Δh image

(b)Identification of valid and invalid data图9 不同时刻下药条A的ΔhFig.9 Δh of propellant A at different time

3.2 典型药条燃速图像处理结果

本文通过获取推进剂药条燃烧过程中不同时刻的燃烧端面图像,并对图像进行特征提取,识别药条燃面空间信息,最终得到推进剂药条的实时燃速,实现固体推进剂药条实时燃速测量。

(a)h-t curve (b)v-t curve图10 药条A的h-t图与v-t图Fig.10 h-t curve and v-t curve of propellant A

本文对药条A进行了5次独立的重复性实验,得到的拟合燃速实验结果依次为2.518、2.536、2.501、2.526、2.590 mm/s。由于测量环境满足严格的标准要求,可忽略环境等因素对测量的影响,故影响测量精度的主要因素是重复性引起的标准不确定度分量。同种药条下的5次测量结果的算术平均值为

根据贝塞尔公式得到的单次测量标准差为

=0.034 mm/s

算术平均值的标准差为

3.3 不同药条燃速测试结果

本文同时利用蓝光阴影图像法和靶线法对6种不同配方的药条进行了燃速测试,图11为利用蓝光阴影图像法得到的6种药条h-t图。通过线性拟合处理可以获得图像法平均燃速,其结果与靶线法测试燃速结果对比见表2。在对6根药条的燃速测试试验中,蓝光阴影图像法与靶线法燃速测量的最大偏差为3.7%。

表2 拟合燃速与靶线法燃速相对偏差Table 2 Relative error of fitting burning rate and strand burner method burning rate mm/s

利用蓝光阴影图像法得到不同药条的实时燃速见图12,各药条的实时燃速平均值及标准差见表3。结合表2、表3和图12可得,在所测的6种药条中,药条D和药条E的燃速明显高于其余4种药条,但其实时燃速的标准差较高,燃速波动较大,这也说明了燃速大的药条波动性相对会更大;药条B、药条C和药条F的燃速较为接近,其中药条C的燃速最低,但其标准差最大,这说明药条燃烧的稳定性受配方影响。因此,利用蓝光阴影图像法得到的实时燃速更能反映药条燃烧过程中的稳定性,实时燃速和拟合燃速相结合,能够更好地评判药条的燃烧特性。

(a)Propellant A (b)Propellant B

(e)Propellant E (f)Propellant F图12 不同药条的实时燃速Fig.12 Real-time burning rate of different propellants

表3 实时燃速平均值与标准差Table 3 Average and standard deviation of instantaneous burning rate mm/s

4 结论

实时燃速的测量更能反映药条燃烧过程的稳定性,并且能够通过一次实验测量得到不同压力下的燃速,实时燃速的测量能够为推进剂配方、燃烧模型优化和燃烧机理等探究提供更为丰富的数据支撑。在实时燃速的测量中会受到各种因素的影响,本文针对直接成像中,固体推进剂药条图像燃速测量方法受药条燃烧自身火焰辐射光影响较大的问题,提出了蓝光阴影图像法测量固体推进剂实时燃速,并且比较了两种方法的成像效果;本文将蓝光阴影图像法的拟合燃速与靶线法得到的燃速进行比较,验证了该方法的稳定性,本文还测量了6种药条的实时燃速,分析了药条燃烧过程中稳定性的影响因素。通过以上研究,本文得到如下结论:

(1)蓝光阴影图像法是一种有效的实时燃速测量方法,可有效消除药条燃烧火焰自身辐射光对成像的影响,提高了燃面识别的精度,并降低了后期图像处理的难度;

(2)本文对某种药条在相同工况下进行了5次重复性实验,5次测量结果重复性较高,证明了此方法具有较好的稳定性;

(3)本文对6种推进剂药条在常压下进行蓝光阴影图像法燃速测试,所得的拟合燃速与靶线法的燃速测试结果进行对比,相对偏差在3.7%以内,说明该方法是一种可靠的非接触式燃速测量方法;

(4)对6种药条的实时燃速结果进行分析,一般情况下燃速高的药条实时燃速波动性会更大,对于燃速相近的药条,配方对其燃速的波动性有着较大的影响,这也说明了利用蓝光阴影图像法得到的实时燃速更能反映药条燃烧过程中的稳定性。此外,与靶线法相比,靶线法单次只能测某个恒定压强下的燃速,而蓝光阴影图像法可应用于变压条件下的燃速测量,这为推进剂配方、燃烧模型优化和燃烧机理等探究都提供了可靠的测试方法。