過(guò)氧化氫-煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流紅外輻射亮度的精確測(cè)量

陳 豪, 李帥輝, 陳 涉, 李 森, 李 騰, 魏小林, 余西龍, 樊 菁

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

0 引 言

目標(biāo)紅外輻射探測(cè)是美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)對(duì)來(lái)襲目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的重要一環(huán)。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的紅外輻射與環(huán)境背景輻射產(chǎn)生的對(duì)比[1]，在反導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識(shí)別中發(fā)揮著重要作用[2]，也是目標(biāo)突防效能論證中的關(guān)鍵因素。彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段助推發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)烈的紅外輻射是預(yù)警衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的主要依據(jù)，目前對(duì)這類(lèi)輻射問(wèn)題已有較充分的研究[3-5]。在彈道導(dǎo)彈中段飛行中，小推力姿軌控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)變軌[6]，這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的紅外輻射也影響著目標(biāo)突破導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的能

力，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值，而目前少有相關(guān)文獻(xiàn)提及。

對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流紅外輻射的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，國(guó)外已進(jìn)行過(guò)一系列的研究。測(cè)量?jī)x器包括紅外輻射計(jì)、紅外熱像儀、紅外光譜儀等。Harwell等[7]采用紅外輻射計(jì)和光譜儀，分別獲得了氣氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模型噴流4.0～5.0 μm波段的輻射強(qiáng)度以及2.6～5.4 μm波段的輻射光譜，并研究了外部空氣流速以及推進(jìn)劑混合比對(duì)噴流輻射特性的影響。Devir等[8]使用紅外相機(jī)和紅外光譜輻射計(jì)測(cè)量了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的輻射圖像和紅外輻射光譜，對(duì)噴流紅外輻射特性計(jì)算結(jié)果做了驗(yàn)證。Rankin等[9]通過(guò)高速紅外相機(jī)獲得了渦輪驅(qū)動(dòng)脈沖爆轟燃燒噴流的紅外輻射強(qiáng)度分布，并估算了渦輪出口噴流溫度。國(guó)內(nèi)對(duì)噴流紅外輻射的研究起步較晚，在輻射測(cè)量方面研究相對(duì)較少。賀博等[10]利用紅外熱像儀測(cè)量了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流輻射，并結(jié)合熱電偶得到的噴流發(fā)射率結(jié)果給出了噴流溫度場(chǎng)。李建勛等[11]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同馬赫數(shù)下的噴流紅外輻射特性進(jìn)行了測(cè)量。

本文使用自行研制的制冷型中波紅外相機(jī)，測(cè)量了過(guò)氧化氫-煤油小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的輻射圖像，根據(jù)紅外相機(jī)黑體輻射定標(biāo)結(jié)果，定量獲得了噴流紅外輻射亮度分布以及其中馬赫盤(pán)的位置信息。發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄了過(guò)氧化氫、煤油的流量曲線(xiàn)。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)參數(shù)，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴流流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)。

1 制冷型中波紅外相機(jī)

本文用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)噴流中波紅外輻射的探測(cè)器為中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所研制的制冷型中波紅外相機(jī)[12]。該紅外相機(jī)工作波段為3.7～4.8 μm，探測(cè)陣元平均噪聲等效溫差NETD為16 mK，采用16 bits輸出，因此具有較高的靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴流輻射的準(zhǔn)確定量測(cè)量。制冷型中波紅外相機(jī)主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)、制冷型探測(cè)器組件、電子學(xué)系統(tǒng)、機(jī)殼等組成。

光學(xué)系統(tǒng)為3片鏡片組成的透射式紅外鏡頭，焦距為38 mm，F(xiàn)/#為2，相機(jī)工作波段內(nèi)平均透過(guò)率為0.8。為滿(mǎn)足小型實(shí)用化需要，制冷型探測(cè)器組件選用集成探測(cè)器的杜瓦制冷組件，HgCdTe探測(cè)器的工作波段為3.7～4.8 μm，探測(cè)陣列為320×256，陣元尺寸為30 μm×30 μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)處平均探測(cè)率D*≥2×1011cm·Hz1/2W-1。電子學(xué)系統(tǒng)的核心器件為FPGA，負(fù)責(zé)為探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路輸出時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)、探測(cè)器上電控制、模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)合并，F(xiàn)PGA將數(shù)字信號(hào)傳輸給信號(hào)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，最終完成圖像數(shù)據(jù)傳輸。相機(jī)采用16 bits輸出，積分時(shí)間可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

制冷型中波紅外相機(jī)將目標(biāo)輻射能量轉(zhuǎn)化為灰度信號(hào)儲(chǔ)存，為定量獲得實(shí)驗(yàn)中被測(cè)噴流的輻射亮度，需對(duì)相機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)。紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)輻射定標(biāo)的基本方法是對(duì)一個(gè)已知輻射亮度的目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)輻射響應(yīng)，建立輻射亮度值與系統(tǒng)輻射響應(yīng)(本文為相機(jī)灰度值)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系[13]。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)噴流輻射亮度的估算及實(shí)測(cè)灰度值結(jié)果，使用武漢凱爾文光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的中溫黑體(型號(hào)JQ-80MYZ5B)對(duì)中波紅外相機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)。該黑體工作溫度范圍為50～500 ℃，溫度分辨率為0.1 ℃，有效發(fā)射率為0.96。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，該黑體裝置在溫度T下發(fā)射的處于相機(jī)工作波段的輻射亮度為：

(1)

式中，L(T)為輻射亮度值，單位W/(m2·sr)，λ為輻射波長(zhǎng)，λ1和λ2分別為3.7和4.8 μm，h為普朗克常數(shù)，c為光速，k為玻爾茲曼常數(shù)。

為使相機(jī)輻射定標(biāo)結(jié)果適用于較大的輻射亮度動(dòng)態(tài)范圍，在黑體工作溫度70～300 ℃范圍內(nèi)，以10 ℃為間隔調(diào)整黑體溫度，待溫度穩(wěn)定后記錄相機(jī)黑體靶面像的平均灰度值。定標(biāo)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的相機(jī)積分時(shí)間為20 μs。將由式(1)得到的輻射亮度和黑體靶面平均灰度值在坐標(biāo)軸上確定的各點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到擬合曲線(xiàn)如圖1所示。擬合曲線(xiàn)表達(dá)式如式(2)所示。其中,G(T)為灰度值。

L(T)=0.014G(T)-46.975

(2)

在黑體輻射定標(biāo)中，輻射亮度定標(biāo)結(jié)果的誤差主要來(lái)源于黑體發(fā)射率誤差eε、黑體溫度分辨率et、定標(biāo)曲線(xiàn)擬合誤差efit、制冷型中波紅外相機(jī)NETD以及相機(jī)紅外焦平面的非均勻性efocal plate等。

圖1 中波紅外相機(jī)輻射定標(biāo)點(diǎn)和擬合曲線(xiàn)

Fig.1Radiationcalibrationpointsandfittedcurveofthemidwaveinfraredcamera

使用黑體產(chǎn)生均勻的紅外輻射，對(duì)相機(jī)焦平面的非均勻性進(jìn)行了量化[14]。當(dāng)相機(jī)積分時(shí)間為20 μs時(shí)，調(diào)節(jié)黑體溫度使得焦平面各像元灰度值接近飽和灰度值的一半，采集到的灰度圖像如圖2所示，通過(guò)式(3)計(jì)算得到相機(jī)紅外焦平面的非均勻性為5%。

圖2 黑體均勻輻射下中波紅外相機(jī)采集到的原始灰度圖像

Fig.2Theoriginalgrayscaleimageobtainedbythemidwaveinfraredcameraunderuniformblackbodyradiation

efocal plate=

(3)

式中，M和N分別為探測(cè)器焦平面陣列的行高和列寬，Vij為焦平面第i行第j列像元的灰度值，d為壞點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)誤差見(jiàn)表1。表中黑體發(fā)射率、黑體溫度分辨率、制冷型中波紅外相機(jī)NETD以及相機(jī)紅外焦平面的非均勻性導(dǎo)致的輻射亮度定標(biāo)誤差與黑體輻射亮度有關(guān)。將此4項(xiàng)在不同黑體輻射亮度下引起的定標(biāo)誤差與定標(biāo)曲線(xiàn)擬合誤差，根據(jù)式(4)計(jì)算總的黑體輻射定標(biāo)誤差，結(jié)果如圖3所示。

(4)

式中Lcal為總的黑體輻射定標(biāo)誤差，Leε、Let、Lefit、LNETD和Lfocal plate分別為黑體發(fā)射率誤差、黑體溫度分辨率、定標(biāo)曲線(xiàn)擬合誤差、制冷型中波紅外相機(jī)NETD以及相機(jī)紅外焦平面的非均勻性導(dǎo)致的輻射亮度定標(biāo)誤差。

表1 制冷型中波紅外相機(jī)黑體輻射定標(biāo)主要誤差來(lái)源Table 1 Main error sources of the radiation calibration for the cooled midwave infrared camera

圖3 制冷型中波紅外相機(jī)黑體輻射定標(biāo)誤差

Fig.3Radiationcalibrationerrorforthecooledmidwaveinfraredcamera

2 過(guò)氧化氫-煤油小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

本文實(shí)驗(yàn)中的發(fā)動(dòng)機(jī)為中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研制的過(guò)氧化氫-煤油小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[15]。該小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由銀網(wǎng)催化床、噴嘴、燃燒室和噴頭等組成，推進(jìn)劑為過(guò)氧化氫和煤油。燃燒室的長(zhǎng)度為100 mm，內(nèi)徑為25 mm。噴口喉部和出口的內(nèi)徑分別為7.5和15 mm。該發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。

圖4 過(guò)氧化氫-煤油小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[15]

發(fā)動(dòng)機(jī)的氮?dú)馄绻芟到y(tǒng)對(duì)過(guò)氧化氫和煤油進(jìn)行加壓，推進(jìn)劑通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行器控制。當(dāng)過(guò)氧化氫通過(guò)銀網(wǎng)催化床時(shí)，90%被分解成為水氣和氧氣的高溫混合物，該混合物噴流作為氧化劑使用。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)噴嘴和燃燒室的壓力通過(guò)傳感器測(cè)量。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中，過(guò)氧化氫被提前注入，隨后煤油被注入。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)主要由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測(cè)控系統(tǒng)、小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以及紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)等構(gòu)成。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測(cè)控系統(tǒng)控制小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程，同時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)氧化氫流量、煤油流量、燃燒室壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)推力等參數(shù)。紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)包括制冷型中波紅外相機(jī)及其上位機(jī)，相機(jī)與上位機(jī)間通過(guò)LVDS接口進(jìn)行通信，上位機(jī)采集并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)文件。小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于噴流防護(hù)罩上端，防護(hù)罩對(duì)噴流進(jìn)行防護(hù)和引流。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局如圖5所示，制冷型中波紅外相機(jī)位于支架上，鏡頭中心點(diǎn)距地面0.65 m，距發(fā)動(dòng)機(jī)縱軸水平距離為2.20 m，通過(guò)防護(hù)罩上尺寸為0.10 m×0.35 m的觀察窗口在水平方向測(cè)量噴流紅外輻射。為明確相機(jī)所測(cè)得灰度圖像中噴流的幾何尺寸，根據(jù)式(5)計(jì)算圖像中單一像元尺寸所對(duì)應(yīng)的空間尺度：

(5)

式中a為像元尺寸，l′為像距，l為相機(jī)鏡頭與目標(biāo)間距離。結(jié)合本文提供的參數(shù)，相機(jī)測(cè)得的噴流灰度圖像中，單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的噴流尺寸為1.8 mm×1.8 mm。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)噴流紅外輻射測(cè)量場(chǎng)景示意

實(shí)驗(yàn)中，為獲得曝光合適的噴流灰度圖像，分別在相機(jī)積分時(shí)間為10 μs、20 μs、2 ms時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終確定用于噴流輻射測(cè)量的積分時(shí)間為20 μs。

中波紅外相機(jī)通過(guò)灰度圖像記錄了發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火并產(chǎn)生穩(wěn)定噴流的整個(gè)過(guò)程。圖6為相機(jī)所測(cè)噴流從噴口至下方150 mm部分的灰度圖像平均灰度值隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，產(chǎn)生的噴流輻射穩(wěn)定。此期間，煤油和過(guò)氧化氫平均流量分別為43.3和8.4 g/s，煤油和過(guò)氧化氫實(shí)時(shí)流量及發(fā)動(dòng)機(jī)推力值如圖7所示。數(shù)據(jù)處理中，根據(jù)黑體輻射定標(biāo)結(jié)果將灰度值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值，并將圖像橫縱坐標(biāo)根據(jù)式(5)由像素?cái)?shù)轉(zhuǎn)換為空間尺度，獲得噴流的輻射亮度分布圖像。實(shí)驗(yàn)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作階段的噴流輻射亮度分布及輻射亮度等高線(xiàn)圖像如圖8所示。圖9為圖8中發(fā)動(dòng)機(jī)噴流輻射亮度沿發(fā)動(dòng)機(jī)噴流中心縱軸方向的一維分布。圖8和9中分別標(biāo)記了發(fā)動(dòng)機(jī)噴口位置。

圖6 噴流上半部平均灰度值隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

Fig.6Time-varyingcurveoftheaveragegrayscalevalueoftheupperhalfengineplume

圖7 煤油和過(guò)氧化氫流量及發(fā)動(dòng)機(jī)推力值曲線(xiàn)

Fig.7Time-varyingcurveofthekeroseneflow,H2O2flowandenginethrust

由于噴流壓力與環(huán)境大氣壓間的相互作用，噴流中存在一系列的馬赫盤(pán)結(jié)構(gòu)。馬赫盤(pán)中的噴流具有相對(duì)較高的溫度和壓力，因而也具有較高的輻射亮度，在輻射亮度分布圖中沿噴射方向呈現(xiàn)周期性的亮盤(pán)結(jié)構(gòu)。隨著噴流的發(fā)展，其與環(huán)境間的壓差趨于平衡，馬赫盤(pán)亮度也逐漸降低。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流流場(chǎng)直接測(cè)量難度較大，紅外輻射測(cè)量所獲得的馬赫盤(pán)位置可用于驗(yàn)證流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖8和9所示的測(cè)量結(jié)果，使用自研的制冷型中波紅外相機(jī)，定量獲得了具有較為清晰馬赫盤(pán)結(jié)構(gòu)分布的過(guò)氧化氫-煤油小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流輻射圖像。發(fā)動(dòng)機(jī)噴流峰值輻射位于噴口下方首個(gè)馬赫盤(pán)處，峰值輻射亮度為184 W/(m2·sr)，根據(jù)圖3中黑體輻射定標(biāo)誤差曲線(xiàn)，峰值輻射測(cè)量精度為12 W/(m2·sr)。隨著輻射亮度周期性的減弱與增強(qiáng)，噴流輻射亮度在距噴口約0.22 m處降至70 W/(m2·sr)。尾焰輻射亮度分布中，靠近噴口的3個(gè)馬赫盤(pán)幾何中心位置分別位于發(fā)動(dòng)機(jī)噴口下方約10，50和70 mm處。

(a) 輻射亮度分布

(b) 輻射亮度等高線(xiàn)圖

圖8 小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流輻射亮度分布和輻射亮度等高線(xiàn)圖，直線(xiàn)標(biāo)記處為發(fā)動(dòng)機(jī)噴口位置

Fig.8Radiancedistributionandradiancecontourmapofthesmallrocketengineflume,wherethenozzlepositionismarkedwithalinesegment

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)噴流輻射亮度縱向分布(“×”字標(biāo)示發(fā)動(dòng)機(jī)噴口位置)

Fig.9Longitudinaldistributionoftheengineflumeradiance(thenozzlepositionismarkedwithacrosssymbol)

需要說(shuō)明的是，當(dāng)小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在真空環(huán)境下工作時(shí)，噴流體積的膨脹會(huì)造成其高溫核心區(qū)表面的輻射亮度增大[16]，因此本文所提供的噴流輻射亮度數(shù)據(jù)對(duì)于突防評(píng)估可能偏于保守。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用自研的中波制冷紅外相機(jī)，在黑體輻射定標(biāo)基礎(chǔ)上，定量測(cè)量了過(guò)氧化氫-煤油小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3.7～4.8 μm波段的噴流紅外輻射，給出了噴流空間尺度的中波紅外輻射亮度分布，該亮度分布具有明顯的系列馬赫盤(pán)結(jié)構(gòu)，峰值輻射亮度為184 W/(m2·sr)，測(cè)量精度為12 W/(m2·sr)。本文的研究結(jié)果可以為飛行器突防效能論證、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算準(zhǔn)確度驗(yàn)證等提供數(shù)據(jù)支撐。