一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，解決了現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。本發明包括可調諧半導體激光器、激光器控制系統、光學系統以及數據采集和處理單元。本發明能夠實現高精度和寬測速范圍(0～3000m/s)內固體、液體、膠體和膏體推進劑裝藥排氣羽流流速測量。本發明適用于不同種類推進劑在發動機中燃燒時產生的排氣羽流流速測量，對于推進劑成分的優化、推進劑裝藥設計以及發動機的設計具有重要的意義。
【專利說明】
一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種流速測量裝置，適用于推進劑裝藥排氣性能測試。
【背景技術】
[0002] 推進劑裝藥排氣羽流是推進劑在點火后通過發動機噴管排出的燃燒和裂解產物， 其中包含煙霧和火焰，也伴隨激烈的物理和化學變化過程，如湍流、電子激發、電離以及二 次燃燒。推進劑裝藥排氣羽流的流速大小及其變化特性是反映推進劑和發動機性能的重要 參數，在推進劑配方優化、推進劑裝藥設計以及發動機設計中有重要作用。目前，用于測量 推進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(固體顆粒或是液滴)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 確的表征推進劑裝藥排氣羽流的流速特征。

【發明內容】

[0003] 為了克服現有技術存在的不足，本發明提供一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝 置。
[0004] 本發明實現過程如下：
[0005] -種推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，包括可調諧半導體激光器、激光器控制 系統、光學系統、數據采集和處理單元。
[0006] 所述激光器控制系統由信號發生器、電流控制模塊和激光器溫度控制模塊組成； 信號發生器產生類鋸齒波信號，電流控制模塊依據該信號向可調諧半導體激光器供給類鋸 齒波形狀變化的調諧電流;激光器溫度控制模塊用于將半導體激光器的溫度穩定在其最佳 工作溫度范圍內；確保半導體激光器正常工作，產生具有特定中心波長和一定波長分布的 激光；
[0007] 光學系統包括激光分束器、收發光機(包括激光發射探頭、激光發射光機、激光接 收光機）、探測器、流速標定模塊、測量工裝和光纖;激光分束器將激光器產生的激光分為相 同的三束;激光發射探頭和發射光機使其中兩束激光從特定方向穿過排氣羽流，隨后到達 相應激光接收光機;探測器將接收光機處的激光信號轉變為電信號;流速標定模塊則可通 過干涉給出激光器出光頻率隨時間的變化規律，用于流速的計算;測量工裝為上述光學模 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的通道。
[0008] 數據采集和處理單元包括測量模塊、數據處理模塊和數據管理模塊;測量模塊對 探測器的數據進行采集，數據處理模塊則依據測量模塊提供的數據對羽流流速進行實時計 算并繪制出羽流流速的變化曲線，數據管理模塊可保存羽流流速數據并導出".txt"文件用 于其他軟件的分析處理。
[0009]所述可調諧半導體激光器所發射的激光波長隨調諧電流改變;可調諧半導體激光 器，吸收光譜儀（TDLAS，Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy)，利用半導體激 光的窄帶寬和波長可調諧特性，可以對特定的氣體分子進行掃描，并反演出相應氣體的流 速等特征。該儀器的原理基于多普勒效應，對于以一定速度運動的氣體分子，其特征吸收峰 會出現一定的多普勒平移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。依據此頻移的大小即可計算出羽流的流速。可調諧半導體激光吸收光譜儀 在流場測試中具有非侵入、響應迅速、靈敏度高、抗干擾能力強、測量結果重復性好以及適 用于惡劣的測量環境等優點。基于可調諧半導體激光吸收光譜的推進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劑的羽流流速。
[0012] 本發明相比現有的測量裝置，具備以下優點：
[0013] 1.本裝置采用具有窄帶寬和可調諧特征的半導體激光，對推進劑裝藥排氣羽流中 的特定氣體進行測量，可以精確的測量流體的流速而不是現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境變化和系統噪聲等對測量精度的影響；
[0014] 2.本裝置通過測量推進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，遠遠大于傳統LDV和PIV裝置的測量范 圍，具有更加廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明組成示意圖。
[0017] 1、固體火箭發動機;2、壓力傳感器;3、壓力采集系統;4、分束器;5、可調諧半導體 激光器;6、流速標定模塊;7、激光器控制系統及數據采集和處理單元;8、探測器;9、收發光 機;10、流速測量工裝;11、推進劑裝藥排氣羽流;12、光纖。
[0018] 圖2為推進劑裝藥羽流流速測量工裝結構圖。
[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為本發明發射光機結構圖。
[0021] 圖4為本發明接受光機結構圖。
[0022]圖5為數據采集和處理單元主要功能模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0023]依據推進劑裝藥羽流流速測量的特點設計本測量裝置，包括可調諧半導體激光 器、激光器控制系統、光學系統以及數據采集和處理單元。激光控制系統中的信號發生器通 過電流控制單元給予激光器以類鋸齒波的調諧電流信號，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間之內。可調諧半導體激光器在電流控制單元給予的電流 作用之下，發射出波長隨調諧電流變化的激光;激光器所發射的激光的中心波長由激光器 本身決定，在推進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，從而依據相應氣體的特征吸收 峰確定激光的中心波長以及激光器。光學系統中的分束器將激光器產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定系統，標定系統對激光進行干涉處理，以便獲 得激光器出光頻率和時間的關系；另外兩束激光通過激光發射探頭和發射光機從不同的方 向穿過排氣羽流，并交于發動機噴口軸線上的一點；這兩束激光與發動機噴口軸線的夾角 相同，在軸線上的分量分別與羽流流速方向相同和相反;激光接收光機接收穿過推進劑羽 流的激光，并將信號傳輸至探測器;探測器將光信號轉化為電信號，以便于采集。數據采集 和處理單元中的測量模塊負責探測器所提供的信號的采集;數據處理模塊對測量模塊所采 集的數據進行計算處理，得到不同時刻的推進劑裝藥排氣羽流流速數據，并繪制出羽流流 速隨時間的變化曲線;數據管理模塊負責相關流速數據的保存以及數據的導出。
[0024] 圖1是推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置的組成示意圖。本裝置由半導體激光器 5、分束器4、流速標定模塊6、發射光機9、接收光機9、探測器8、光纖12、激光器控制系統及數 據采集和處理單元7以及流速測量工裝10等組成。激光器控制系統控制半導體激光器發射 出激光。半導體激光器所發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 推進劑燃燒氣態產物。分束器可將半導體激光器發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定系統，流速標定系統通過激光干涉獲得激光器出光波長與時間 的關系。另外兩束激光則通過光纖傳輸至測量工裝上的發射光機。測量工裝固定于發動機 噴口后方，設有兩個發射光機和兩個接收光機，分別用于兩束激光的發射和接收。探測器實 現對激光信號的探測，并將其轉變為電信號。數據采集和處理單元負責數據的采集、流速計 算以及儲存和導出。示意圖中的壓力傳感系統和壓力采集系統不直接參與推進劑裝藥羽流 流速的測量，它們用于探測推進劑裝藥過程中燃燒室內壓力的變化情況，以確定發動機工 作正常。
[0025] 圖2為推進劑裝藥羽流流速測量工裝結構圖。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射光機和接收光機，在光機安裝位置均有二氧化硅制成的 光學窗口，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，用于調節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為推進劑裝藥羽流流速測量裝置的發射光機結構圖。該發射光機由耐腐蝕的 不銹鋼材料制成，使激光以特定的角度穿過排氣羽流。發射光機上有8個08,4的孔，用于將 光機固定到測量工裝板上;另有4個05的孔，用于固定激光發射探頭。激光發射探頭發射的 激光經通道射入排氣羽流，該通道與工裝板平面的夾角為46.5°。
[0027] 圖4為推進劑裝藥羽流流速測量裝置的接收光機結構圖。該接收光機由耐腐蝕的 不銹鋼材料制成，使探測器可以準確接收穿過排氣羽流的激光。接收光機上有8個08.4的 孔，用于將光機固定到測量工裝板上；另有4個05的孔，用于固定探測器。接收光機上的激 光通道與工裝板平面的夾角也為46.5°。
[0028]圖5是數據采集與處理單元的主要功能模塊示意圖。本裝置的數據采集與處理單 元包括如下模塊:測量模塊、數據處理模塊和數據管理模塊。測量模塊主要用于信號采集和 頻率標定，采集穿過排氣羽流的兩束激光的光強隨時間的變化數據，并通過對流速標定系 統的激光干涉數據進行采集而獲得激光器出光波長與時間的關系。數據處理模塊主要進行 羽流流速的實時計算和羽流流速曲線的繪制操作。數據管理模塊主要進行數據存儲和測量 結果導出等操作，可將測量結果導出為".txt"文件，便于利用其它軟件處理分析。
【主權項】
1. 一種推進劑裝藥排氣羽流流速測量裝置，其特征在于包括可調諧半導體激光器(5)、 光學系統、激光器控制系統、數據采集和處理單元(7): 所述可調諧半導體激光器(5)所發射的激光波長隨調諧電流改變； 所述光學系統包括激光分束器(4)、收發光機(9)、探測器(8)、流速標定模塊(6)、測量 工裝（10)和光纖（12);激光分束器(4)將可調諧半導體激光器(5)產生的激光分為相同的三 束;收發光機(9)包括激光發射探頭、激光發射光機、激光接收光機，激光發射探頭和激光發 射光機使激光穿過排氣羽流，到達激光接收光機;探測器(8)將激光接收光機處的激光信號 轉變為電信號;流速標定模塊(6)通過干涉給出激光器(5)出光頻率隨時間的變化規律;測 量工裝(10)為其它光學模塊提供安裝平臺；光纖(12)作為激光傳輸的通道； 所述激光器控制系統由信號發生器、電流控制模塊和激光器溫度控制模塊組成；信號 發生器產生類鋸齒波信號，電流控制模塊依據該信號向可調諧半導體激光器(5)供給類鋸 齒波形狀變化的調諧電流;激光器溫度控制模塊用于將半導體激光器的溫度穩定在其最佳 工作溫度范圍內； 所述數據采集和處理單元包括測量模塊、數據處理模塊和數據管理模塊；用于采集數 據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數據。2. 根據權利要求1所述的推進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. 根據權利要求1所述的推進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】西安近代化學研究所