一種推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，解決了現(xiàn)有的激光多普勒測速儀和粒子圖像測速儀僅能測量流體中粒子速度，依賴示蹤粒子和不能精確表征流體流速的問題。本發(fā)明包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、激光器控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和處理單元。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和寬測速范圍(0～3000m/s)內(nèi)固體、液體、膠體和膏體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量。本發(fā)明適用于不同種類推進(jìn)劑在發(fā)動機(jī)中燃燒時產(chǎn)生的排氣羽流流速測量，對于推進(jìn)劑成分的優(yōu)化、推進(jìn)劑裝藥設(shè)計以及發(fā)動機(jī)的設(shè)計具有重要的意義。
【專利說明】
一種推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種流速測量裝置，適用于推進(jìn)劑裝藥排氣性能測試。
【背景技術(shù)】
[0002] 推進(jìn)劑裝藥排氣羽流是推進(jìn)劑在點火后通過發(fā)動機(jī)噴管排出的燃燒和裂解產(chǎn)物， 其中包含煙霧和火焰，也伴隨激烈的物理和化學(xué)變化過程，如湍流、電子激發(fā)、電離以及二 次燃燒。推進(jìn)劑裝藥排氣羽流的流速大小及其變化特性是反映推進(jìn)劑和發(fā)動機(jī)性能的重要 參數(shù)，在推進(jìn)劑配方優(yōu)化、推進(jìn)劑裝藥設(shè)計以及發(fā)動機(jī)設(shè)計中有重要作用。目前，用于測量 推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速的主要手段包括激光多普勒測速儀（LDV)和粒子圖像測速儀 (PIV)，二者均是通過測量流體中粒子(固體顆?；蚴且旱?的運動速度來表征流體的流速。 LDV和PIV的這一特征使得其對羽流中粒子含量較少的推進(jìn)劑的測速效果欠佳，需要額外引 入示蹤粒子。此外，流體的流速與其中粒子的運動速度不可能完全一致，即LDV和PIV無法精 確的表征推進(jìn)劑裝藥排氣羽流的流速特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝 置。
[0004] 本發(fā)明實現(xiàn)過程如下：
[0005] -種推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、激光器控制 系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理單元。
[0006] 所述激光器控制系統(tǒng)由信號發(fā)生器、電流控制模塊和激光器溫度控制模塊組成； 信號發(fā)生器產(chǎn)生類鋸齒波信號，電流控制模塊依據(jù)該信號向可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器供給類鋸 齒波形狀變化的調(diào)諧電流;激光器溫度控制模塊用于將半導(dǎo)體激光器的溫度穩(wěn)定在其最佳 工作溫度范圍內(nèi)；確保半導(dǎo)體激光器正常工作，產(chǎn)生具有特定中心波長和一定波長分布的 激光；
[0007] 光學(xué)系統(tǒng)包括激光分束器、收發(fā)光機(jī)(包括激光發(fā)射探頭、激光發(fā)射光機(jī)、激光接 收光機(jī)）、探測器、流速標(biāo)定模塊、測量工裝和光纖;激光分束器將激光器產(chǎn)生的激光分為相 同的三束;激光發(fā)射探頭和發(fā)射光機(jī)使其中兩束激光從特定方向穿過排氣羽流，隨后到達(dá) 相應(yīng)激光接收光機(jī);探測器將接收光機(jī)處的激光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?流速標(biāo)定模塊則可通 過干涉給出激光器出光頻率隨時間的變化規(guī)律，用于流速的計算;測量工裝為上述光學(xué)模 塊提供安裝平臺，測量工裝的流速測量范圍為〇~3000m/s，測量精度為±5%，對待測氣體 的最小檢測濃度為O.lppm。光纖則作為激光傳輸?shù)耐ǖ馈?br>[0008] 數(shù)據(jù)采集和處理單元包括測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊;測量模塊對 探測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)處理模塊則依據(jù)測量模塊提供的數(shù)據(jù)對羽流流速進(jìn)行實時計 算并繪制出羽流流速的變化曲線，數(shù)據(jù)管理模塊可保存羽流流速數(shù)據(jù)并導(dǎo)出".txt"文件用 于其他軟件的分析處理。
[0009]所述可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器所發(fā)射的激光波長隨調(diào)諧電流改變;可調(diào)諧半導(dǎo)體激光 器，吸收光譜儀（TDLAS，Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy)，利用半導(dǎo)體激 光的窄帶寬和波長可調(diào)諧特性，可以對特定的氣體分子進(jìn)行掃描，并反演出相應(yīng)氣體的流 速等特征。該儀器的原理基于多普勒效應(yīng)，對于以一定速度運動的氣體分子，其特征吸收峰 會出現(xiàn)一定的多普勒平移A V。
[0011] 其中，c為光速、u為氣體的流速、VQ為氣體的特征吸收中心頻率、Θ為激光與羽流方 向夾角的余角。依據(jù)此頻移的大小即可計算出羽流的流速。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜儀 在流場測試中具有非侵入、響應(yīng)迅速、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測量結(jié)果重復(fù)性好以及適 用于惡劣的測量環(huán)境等優(yōu)點?；诳烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速 測量裝置，不需額外引入示蹤粒子，通過對羽流中特定氣體的測量即可精確表征固體、液 體、膠體和膏體等不同種類推進(jìn)劑的羽流流速。
[0012] 本發(fā)明相比現(xiàn)有的測量裝置，具備以下優(yōu)點：
[0013] 1.本裝置采用具有窄帶寬和可調(diào)諧特征的半導(dǎo)體激光，對推進(jìn)劑裝藥排氣羽流中 的特定氣體進(jìn)行測量，可以精確的測量流體的流速而不是現(xiàn)有方法所測的流體中粒子的運 動速度，同時也降低了背景環(huán)境變化和系統(tǒng)噪聲等對測量精度的影響；
[0014] 2.本裝置通過測量推進(jìn)劑裝藥排氣羽流中特定氣體的多普勒頻移而確定流體的 流速，不需要引入示蹤粒子，適用于不同種類推進(jìn)劑排氣羽流流速的測量；
[0015] 3.本裝置的流速測量范圍為0~3000m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)LDV和PIV裝置的測量范 圍，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明組成示意圖。
[0017] 1、固體火箭發(fā)動機(jī);2、壓力傳感器;3、壓力采集系統(tǒng);4、分束器;5、可調(diào)諧半導(dǎo)體 激光器;6、流速標(biāo)定模塊;7、激光器控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集和處理單元;8、探測器;9、收發(fā)光 機(jī);10、流速測量工裝;11、推進(jìn)劑裝藥排氣羽流;12、光纖。
[0018] 圖2為推進(jìn)劑裝藥羽流流速測量工裝結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 13、流速測量工裝板；14、底部槽鋼；15、方鋼連接塊；16、工裝板過渡件；17、方鋼； 18、連接桿過渡;19、橫桿連接件;20、短方鋼;21、固定螺栓。
[0020] 圖3為本發(fā)明發(fā)射光機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 圖4為本發(fā)明接受光機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖5為數(shù)據(jù)采集和處理單元主要功能模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0023]依據(jù)推進(jìn)劑裝藥羽流流速測量的特點設(shè)計本測量裝置，包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光 器、激光器控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和處理單元。激光控制系統(tǒng)中的信號發(fā)生器通 過電流控制單元給予激光器以類鋸齒波的調(diào)諧電流信號，同時通過溫度控制單元將激光器 的溫度保持在最佳的工作溫度區(qū)間之內(nèi)?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光器在電流控制單元給予的電流 作用之下，發(fā)射出波長隨調(diào)諧電流變化的激光;激光器所發(fā)射的激光的中心波長由激光器 本身決定，在推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速的測量中，以羽流中常見的水(H2〇)、碳的氧化物 (c〇2、C0等）、氮的氧化物(N0 2、NO、N2〇等）、硫的氧化物（s〇2、S〇3等）、氯的氧化物(C1 〇2等）和 氯化氫(HC1)等氣體中的一種作為激光吸收譜的測量對象，從而依據(jù)相應(yīng)氣體的特征吸收 峰確定激光的中心波長以及激光器。光學(xué)系統(tǒng)中的分束器將激光器產(chǎn)生的激光分為相同的 三束，其中一束激光通過光纖傳輸至流速標(biāo)定系統(tǒng)，標(biāo)定系統(tǒng)對激光進(jìn)行干涉處理，以便獲 得激光器出光頻率和時間的關(guān)系；另外兩束激光通過激光發(fā)射探頭和發(fā)射光機(jī)從不同的方 向穿過排氣羽流，并交于發(fā)動機(jī)噴口軸線上的一點；這兩束激光與發(fā)動機(jī)噴口軸線的夾角 相同，在軸線上的分量分別與羽流流速方向相同和相反;激光接收光機(jī)接收穿過推進(jìn)劑羽 流的激光，并將信號傳輸至探測器;探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，以便于采集。數(shù)據(jù)采集 和處理單元中的測量模塊負(fù)責(zé)探測器所提供的信號的采集;數(shù)據(jù)處理模塊對測量模塊所采 集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，得到不同時刻的推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速數(shù)據(jù)，并繪制出羽流流 速隨時間的變化曲線;數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)相關(guān)流速數(shù)據(jù)的保存以及數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。
[0024] 圖1是推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置的組成示意圖。本裝置由半導(dǎo)體激光器 5、分束器4、流速標(biāo)定模塊6、發(fā)射光機(jī)9、接收光機(jī)9、探測器8、光纖12、激光器控制系統(tǒng)及數(shù) 據(jù)采集和處理單元7以及流速測量工裝10等組成。激光器控制系統(tǒng)控制半導(dǎo)體激光器發(fā)射 出激光。半導(dǎo)體激光器所發(fā)射的激光中心波長為水(H 20)、碳的氧化物(C02、C0等）、氮的氧化 物(Ν02、Ν0、Ν 20等）、硫的氧化物(S02、S03等）、氯的氧化物(C102等)和氯化氫(HC1)等常見的 推進(jìn)劑燃燒氣態(tài)產(chǎn)物。分束器可將半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光分為相同的三束。其中一束激 光通過光纖傳輸至流速標(biāo)定系統(tǒng)，流速標(biāo)定系統(tǒng)通過激光干涉獲得激光器出光波長與時間 的關(guān)系。另外兩束激光則通過光纖傳輸至測量工裝上的發(fā)射光機(jī)。測量工裝固定于發(fā)動機(jī) 噴口后方，設(shè)有兩個發(fā)射光機(jī)和兩個接收光機(jī)，分別用于兩束激光的發(fā)射和接收。探測器實 現(xiàn)對激光信號的探測，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。?shù)據(jù)采集和處理單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、流速計 算以及儲存和導(dǎo)出。示意圖中的壓力傳感系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)不直接參與推進(jìn)劑裝藥羽流 流速的測量，它們用于探測推進(jìn)劑裝藥過程中燃燒室內(nèi)壓力的變化情況，以確定發(fā)動機(jī)工 作正常。
[0025] 圖2為推進(jìn)劑裝藥羽流流速測量工裝結(jié)構(gòu)圖。該工裝由耐腐蝕的不銹鋼材料制成。 流速測量工裝板用于固定激光發(fā)射光機(jī)和接收光機(jī)，在光機(jī)安裝位置均有二氧化硅制成的 光學(xué)窗口，尺寸為29.2mm X 12.2mm。工裝板過渡件16將測量工裝板13固定在由方鋼17和底 部槽鋼14組成的支架上，該過渡件上有4 X 4共16個孔，用于調(diào)節(jié)測量工裝板距地面的高度。 支架通過螺栓21固定在地面上。
[0026] 圖3為推進(jìn)劑裝藥羽流流速測量裝置的發(fā)射光機(jī)結(jié)構(gòu)圖。該發(fā)射光機(jī)由耐腐蝕的 不銹鋼材料制成，使激光以特定的角度穿過排氣羽流。發(fā)射光機(jī)上有8個08,4的孔，用于將 光機(jī)固定到測量工裝板上;另有4個05的孔，用于固定激光發(fā)射探頭。激光發(fā)射探頭發(fā)射的 激光經(jīng)通道射入排氣羽流，該通道與工裝板平面的夾角為46.5°。
[0027] 圖4為推進(jìn)劑裝藥羽流流速測量裝置的接收光機(jī)結(jié)構(gòu)圖。該接收光機(jī)由耐腐蝕的 不銹鋼材料制成，使探測器可以準(zhǔn)確接收穿過排氣羽流的激光。接收光機(jī)上有8個08.4的 孔，用于將光機(jī)固定到測量工裝板上；另有4個05的孔，用于固定探測器。接收光機(jī)上的激 光通道與工裝板平面的夾角也為46.5°。
[0028]圖5是數(shù)據(jù)采集與處理單元的主要功能模塊示意圖。本裝置的數(shù)據(jù)采集與處理單 元包括如下模塊:測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。測量模塊主要用于信號采集和 頻率標(biāo)定，采集穿過排氣羽流的兩束激光的光強(qiáng)隨時間的變化數(shù)據(jù)，并通過對流速標(biāo)定系 統(tǒng)的激光干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行采集而獲得激光器出光波長與時間的關(guān)系。數(shù)據(jù)處理模塊主要進(jìn)行 羽流流速的實時計算和羽流流速曲線的繪制操作。數(shù)據(jù)管理模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和測量 結(jié)果導(dǎo)出等操作，可將測量結(jié)果導(dǎo)出為".txt"文件，便于利用其它軟件處理分析。
【主權(quán)項】
1. 一種推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，其特征在于包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(5)、 光學(xué)系統(tǒng)、激光器控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理單元(7): 所述可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(5)所發(fā)射的激光波長隨調(diào)諧電流改變； 所述光學(xué)系統(tǒng)包括激光分束器(4)、收發(fā)光機(jī)(9)、探測器(8)、流速標(biāo)定模塊(6)、測量 工裝（10)和光纖（12);激光分束器(4)將可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(5)產(chǎn)生的激光分為相同的三 束;收發(fā)光機(jī)(9)包括激光發(fā)射探頭、激光發(fā)射光機(jī)、激光接收光機(jī)，激光發(fā)射探頭和激光發(fā) 射光機(jī)使激光穿過排氣羽流，到達(dá)激光接收光機(jī);探測器(8)將激光接收光機(jī)處的激光信號 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?流速標(biāo)定模塊(6)通過干涉給出激光器(5)出光頻率隨時間的變化規(guī)律;測 量工裝(10)為其它光學(xué)模塊提供安裝平臺；光纖(12)作為激光傳輸?shù)耐ǖ溃? 所述激光器控制系統(tǒng)由信號發(fā)生器、電流控制模塊和激光器溫度控制模塊組成；信號 發(fā)生器產(chǎn)生類鋸齒波信號，電流控制模塊依據(jù)該信號向可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(5)供給類鋸 齒波形狀變化的調(diào)諧電流;激光器溫度控制模塊用于將半導(dǎo)體激光器的溫度穩(wěn)定在其最佳 工作溫度范圍內(nèi)； 所述數(shù)據(jù)采集和處理單元包括測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊；用于采集數(shù) 據(jù)并實時計算出排氣羽流的流速，繪制出羽流流速的變化曲線并保存相關(guān)數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，其特征在于所述的測量 工裝（10)的流速測量范圍為0~3000m/s，測量精度為±5%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，其特征在于所述的測量 工裝(10)對待測氣體的最小檢測濃度為O.lppm。
【文檔編號】G01P5/26GK105866468SQ201610164098
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】楊燕京, 儀建華, 孫美, 趙鳳起, 景建斌, 羅陽, 金輝, 王長健, 許毅, 解珍珍, 安亭, 孫志華, 姚德龍
【申請人】西安近代化學(xué)研究所