槍彈底火瞬態(tài)火焰溫度測(cè)試及其圖像

李文哲，王 高，魏志芳，趙聰聰，張駿虎，聶 鵬

（1. 中北大學(xué) 省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；3. 山西江淮重工有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

0 引言

底火是用于輸出火焰引燃發(fā)射裝藥且位于槍彈底部的火工品，是將槍炮發(fā)射機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)化成引燃發(fā)射裝藥能量的重要元件，對(duì)底火輸出能量的檢測(cè)是判定貯存彈藥質(zhì)量是否合格的重要依據(jù)之一［1-2］。目前主要的檢測(cè)方法有壓力測(cè)量、光學(xué)測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量、機(jī)械能量輸出測(cè)量以及溫度測(cè)量［3］，其中，底火藥劑的最高燃燒溫度和火焰持續(xù)時(shí)間是評(píng)判底火點(diǎn)火能力的2 個(gè)重要因素。不過由于底火輸出火焰具有溫度高［4］、持續(xù)時(shí)間短、體積小等特點(diǎn)，溫度測(cè)量工作十分困難，再加上測(cè)溫設(shè)備、技術(shù)等方面的原因，底火溫度測(cè)試一直沒有得到重視。

近幾年國外的相關(guān)研究有：Otón-Martínez R A［5］建立三維數(shù)值模型表征了底火藥劑燃燒過程中的傳熱特性，Rybak W［6］用熱重分析和差示掃描量熱法（TGA/DSC）測(cè)量了底火藥劑的點(diǎn)火溫度。目前國內(nèi)在這方面的研究有：陳明華［7］用熱電偶在距離底火15 mm 處測(cè)得其最高燃燒溫度平均值為473.71 ℃；柳維旗［8］利用雙通道比色溫度傳感器測(cè)得底火燃燒溫度平均值為1964.79 ℃。不過熱電偶響應(yīng)速度低，無法反映幾個(gè)毫秒量級(jí)的信號(hào)變化，且只能測(cè)得其結(jié)點(diǎn)溫度，無法得知底火燃燒過程中的最高溫度；比色溫度傳感器工作波段的選擇對(duì)溫度精度影響較大，且只有溫度信息而無圖像信息，測(cè)試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較差。

針對(duì)這些問題，本研究提出了基于高速中波紅外熱像儀的非接觸式測(cè)溫法［9-11］，在開放式爆發(fā)器內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過捕獲底火擊發(fā)的全過程，計(jì)算底火火焰持續(xù)時(shí)間、分析不同階段底火輸出火焰的溫度特點(diǎn)，探究不同工況下底火輸出火焰溫度之間的規(guī)律，為底火等引燃類火工品的輸出能量特性評(píng)估提供新思路。

1 測(cè)溫原理

紅外熱像儀是一種非接觸式、響應(yīng)速度快、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的集成化設(shè)備。利用被測(cè)目標(biāo)與背景環(huán)境由于溫度和發(fā)射率差異所產(chǎn)生的熱對(duì)比度不同，將紅外輻射能量密度分布轉(zhuǎn)換為可見光顯示出來。如圖1 所示，具體的測(cè)量原理為：①物體發(fā)出的紅外輻射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，紅外探測(cè)器將接收的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；②對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大等一系列處理，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見紅外圖像。

圖1 紅外熱像儀測(cè)溫原理Fig.1 Temperature measurement principle of the infrared thermal imager

實(shí)際測(cè)量中，紅外熱像儀所接收的熱輻射分為3個(gè)部分：目標(biāo)物輻射、背景輻射和大氣輻射。熱像儀測(cè)溫的基本公式［12］為：

式中，T′0表示熱像儀顯示的溫度，℃；τα為大氣透射率；ε為底火輸出火焰發(fā)射率；T0為底火輸出火焰表面真實(shí)溫度，℃；α為火焰表面吸收率；Tu為環(huán)境溫度，℃；εα為大氣發(fā)射率；Tα為大氣溫度，℃。

紅外熱像儀在其溫度曲線量程范圍內(nèi)可將對(duì)黑體的響應(yīng)曲線按照冪函數(shù)形式進(jìn)行擬合，即：

式中，C是與紅外熱像儀工作波段相關(guān)的常數(shù)，可通過黑體爐溫度標(biāo)定獲得數(shù)值；n是與探測(cè)器工作材料和波段相關(guān)的常數(shù)。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)所用3～5 μm 波段范圍的HgCdTe 探測(cè)器，n值為5.33，C值為2.9259×10-12，將式（2）代入式（1）可獲得目標(biāo)的真實(shí)溫度的表達(dá)式為：

由于槍彈底火輸出火焰與有動(dòng)力飛行器尾焰在產(chǎn)生方式和高溫氣體成分上相似，本研究采用波長范圍4.3～4.55 μm、發(fā)射率0.5 的有動(dòng)力飛行器尾焰［13］模型對(duì)底火輸出火焰進(jìn)行研究，以獲得溫度計(jì)算公式的重要參數(shù)。因此，ε=α，結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)室內(nèi)近距離測(cè)溫的條件，可認(rèn)為τα=1，則式（3）變?yōu)?/p>

利用式（5）來計(jì)算本次實(shí)驗(yàn)底火輸出火焰表面真實(shí)溫度。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)所用底火分為3 類：第一類常溫底火，放置于室內(nèi)（25 ℃）的環(huán)境中，第二、三類底火分別置于50 ℃、-49 ℃的雙溫區(qū)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，并貯藏10 h 以上。將底火分3 種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是為了探究不同環(huán)境溫度下輸出火焰的最高溫度差異。

2.2 測(cè)試儀器

擊發(fā)裝置：

落錘儀［14］：用于放置工裝、架設(shè)落錘；落錘：規(guī)格選用250 g、500 g 兩種，用于撞擊擊針；擊針：用于擊發(fā)底火；開放式爆發(fā)器［15］：用于放置底火藥劑、觀測(cè)火焰。

測(cè)溫裝置：

高速中波紅外熱像儀［16］：集紅外圖像、溫度信息、數(shù)據(jù)修正于一體的儀器，擁有極快的響應(yīng)速度（≤14 μs）和極高的測(cè)溫精度（±0.5%），能夠測(cè)得毫秒量級(jí)的溫度變化，像素分辨率高、熱靈敏度高、成像質(zhì)量好；光電傳感器：工作波段880 nm，用于控制熱像儀工作。

誤差分析裝置：

BF-1000 型激光測(cè)距儀：測(cè)量范圍0.05～200 m，誤差±1 mm，用于測(cè)量火焰中心與相機(jī)鏡頭之間的距離；VC261 型高精度溫濕度計(jì)：溫度測(cè)量誤差±0.5 ℃，濕度測(cè)量誤差±3 RH，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度；SR-20 腔式黑體輻射源：發(fā)射率ε為（0.99±0.01），孔徑φ為100 mm；CK-20 溫度控制儀：用于控制腔式黑體溫度。

2.3 方案設(shè)計(jì)

2.3.1 底火測(cè)試方案

整體實(shí)驗(yàn)布局如圖2 所示，落錘儀放置于室內(nèi)昏暗的角落，底火藥劑置于開放式爆發(fā)器內(nèi)，頂部放置擊針，將落錘固定在區(qū)間100～240 mm 的高度做自由落體運(yùn)動(dòng)，以不同的初始能量撞擊擊針。

圖2 底火實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.2 Layout of the ignition cap test

高速紅外熱像儀與開放式爆發(fā)器保持在同一光軸，相距115 cm，針對(duì)本次底火輸出火焰溫度高、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，改變了高速紅外相機(jī)的部分參數(shù)設(shè)定，最大程度縮短了采樣時(shí)間間隔，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。光電傳感器置于擊針上方，連接高速紅外相機(jī)并持續(xù)輸出5 V 高電平，當(dāng)落錘遮擋光路時(shí)刻產(chǎn)生下降沿信號(hào)，觸發(fā)相機(jī)工作。

表1 紅外熱像儀參數(shù)Table 1 Parameters for the infrared thermal camera

因?yàn)榈谆饟舭l(fā)過程快，不能保證每次擊發(fā)都能捕獲到最佳狀態(tài)，因此每個(gè)組別進(jìn)行了10 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取畫面和溫度數(shù)值比較理想的幾次的平均值。對(duì)紅外熱像儀所采集的圖像溫度信息進(jìn)行處理，利用設(shè)備自帶的軟件設(shè)置參數(shù)，如表2 所示，對(duì)圖像像素顯示溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

表2 軟件參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters for the software

2.3.2 誤差測(cè)試方案

根據(jù)式（1）可知，紅外熱像儀的測(cè)量誤差主要來源于3 個(gè)方面：目標(biāo)發(fā)射率、大氣透過率、反射的環(huán)境輻射。此外，還與測(cè)試距離、拍攝角度、環(huán)境溫濕度等因素有關(guān)。本次實(shí)驗(yàn)全程在室內(nèi)進(jìn)行，且相機(jī)鏡頭與被測(cè)火焰之間的距離很近，氣體分子轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的能量差很小，轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜主要在遠(yuǎn)紅外波段，對(duì)底火輸出火焰輻射能量的吸收作用非常小，因此可認(rèn)為大氣透過率Tα= 1；熱像儀設(shè)置的FPA 幀大小與底火輸出火焰的形態(tài)很吻合，目標(biāo)背景沒有過多的留白，整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中沒有其他高溫物體，因此可忽略環(huán)境溫度輻射帶來的干擾。經(jīng)過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，距離是影響此次實(shí)驗(yàn)精度的主要因素。

在室外測(cè)試過程中，往往距離越長，熱像儀所捕獲的視場(chǎng)面積越大，被測(cè)目標(biāo)只占據(jù)視場(chǎng)的一小部分，輸出信號(hào)中背景輻射的部分增加，導(dǎo)致測(cè)量誤差［17］。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)環(huán)境下，熱像儀對(duì)某一溫度已知的靜態(tài)物體測(cè)量數(shù)據(jù)也存在小范圍波動(dòng)，推測(cè)是熱像儀自身存在穩(wěn)定性方面的差異從而造成溫度漂移［18］，因此在實(shí)驗(yàn)室中盡可能地復(fù)原當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的環(huán)境，就這一方面做了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）對(duì)目標(biāo)黑體進(jìn)行加熱，設(shè)定目標(biāo)溫度Tbb，℃；

（2）連接紅外熱像儀，調(diào)節(jié)焦距，設(shè)定發(fā)射率ε=0.99；

（3）移動(dòng)熱像儀使黑體圖像充滿視場(chǎng)，利用激光測(cè)距儀測(cè)距，并記錄在測(cè)量距離分別為0.15、0.45、0.75、1.05、1.15 m 和1.35 m 處的目標(biāo)溫度Td，℃，計(jì)算不同距離下的平均誤差η。

3 結(jié)果與討論

3.1 底火火焰最高溫度與測(cè)試誤差

不同設(shè)定溫度下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3 所示。對(duì)圖像像素顯示溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 不同工況下底火火焰平均最高溫度Fig.3 Average maximum temperature of ignition cap flame under different test conditions

表3 距離對(duì)紅外熱像儀測(cè)溫精度影響Table 3 The influence of distance on temperature measurement accuracy of the infrared thermal camera

由表3 可知，熱像儀與目標(biāo)黑體的測(cè)試距離越大，造成的溫度波動(dòng)就越大，高溫目標(biāo)相比低溫目標(biāo)有更大的溫度漂移幅度。在火焰發(fā)射率0.5 且大氣透過率為100%的前提下，當(dāng)目標(biāo)距離為115 cm 時(shí)，此次槍彈底火實(shí)驗(yàn)平均測(cè)量誤差小于1.25 ℃。

由圖3 可知，此類底火的輸出火焰最大溫度可達(dá)1204 ℃，3 種工況下的底火輸出火焰平均最高溫度均可維持在700～1200 ℃，此次實(shí)驗(yàn)用于擊發(fā)底火的能量與火焰最高溫度并無明顯關(guān)系，不同工況下的火焰最高溫度差異并不明顯。將未校正的熱像儀顯示最高溫度數(shù)值代入式（5），計(jì)算所得的數(shù)值加上因溫度漂移損失的示數(shù)，與熱像儀軟件校正所得溫度相比，即可得到溫度數(shù)據(jù)的誤差，如式6 所示：

式中，δ為誤差；T′為熱像儀軟件校正的示數(shù)，℃。經(jīng)過計(jì)算，此次底火實(shí)驗(yàn)的誤差不超過6.6%，能夠有效反映底火火焰溫度數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2 火焰持續(xù)時(shí)間與特征分析

實(shí)驗(yàn)利用高速紅外熱像儀所攝畫面進(jìn)行持續(xù)時(shí)間、圖像分析。圖4 為底火火焰溫度與時(shí)間曲線，由圖4 可知，經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，底火輸出火焰的持續(xù)時(shí)間為3～4 ms，火焰從剛開始擊發(fā)到上升到最高溫全過程約為1 ms。爆炸約8 ms 后的溫度有二次升高的現(xiàn)象，推測(cè)是底火藥劑顆粒擊發(fā)后火焰輻射經(jīng)地面反射造成溫度回升所致。

圖4 底火火焰溫度—時(shí)間曲線Fig.4 The flame temperature versus time curves for the ignition cap

圖5 為底火輸出火焰的發(fā)火過程，是由高速紅外熱像儀拍攝且校正后得到，如圖5 所示，底火輸出火焰的發(fā)火過程可按照時(shí)間劃分為4 個(gè)階段：

圖5 4 個(gè)階段的火焰圖像Fig.5 The infrared thermal images for the four stages

（1）火焰擊發(fā)，焰長約為20～25 mm，占整個(gè)火焰焰長的1/3，火焰呈現(xiàn)橢球形，最高溫度范圍650～740 ℃；

（2）火焰擴(kuò)散，焰長約為35～40 mm，占整個(gè)火焰焰長的2/3，火焰近似棱錐狀，最高溫度范圍1087～1204 ℃，是整個(gè)發(fā)火過程中的最高溫；

（3）火焰成型，焰長約為60～70 mm，是底火的完全形態(tài)，火焰近似柱狀，最高溫度范圍840～960 ℃；

（4）火焰消散，近似橢球形，最高溫度范圍240～340 ℃。

由于常溫底火的組別和實(shí)驗(yàn)次數(shù)最多，紅外圖像更加完整，以常溫底火為例，從火焰的形態(tài)來看，焰頭與焰尾均有高亮圓形區(qū)域，是火焰全程中的高溫區(qū)。利用MATLAB［19］處理第三階段成型火焰紅外圖像得到溫度場(chǎng)分布圖，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，焰頭、焰尾區(qū)域溫度梯度可達(dá)800 ℃以上，證實(shí)了高溫區(qū)的存在；焰頭面積明顯小于焰尾面積，且兩區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，相連接部分溫度較低。根據(jù)此類底火藥劑反應(yīng)機(jī)理，產(chǎn)生此類現(xiàn)象的原因是底火擊發(fā)后產(chǎn)生大量金屬氧化物及CO2、H2O、CO 高溫氣體，高速向下蔓延與氧氣結(jié)合助燃造成二次燃爆，從而形成焰尾面積較大的高溫區(qū)［20］，而焰頭區(qū)域處于無氧爆炸階段，主要由高壓環(huán)境下的金屬粒子流形成高溫區(qū)。

圖6 第三階段溫度分布圖像Fig.6 The temperature distribution image for the 3rd stage

4 結(jié)論

通過搭建溫度測(cè)試裝置，對(duì)此類槍彈底火的輸出火焰進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明：

（1）此類槍彈底火的輸出火焰最高溫度可達(dá)1204 ℃，結(jié)合公式計(jì)算與軟件校正，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差不超過6.6%，本次實(shí)驗(yàn)未能發(fā)現(xiàn)底火擊發(fā)能量與火焰最高溫度之間的關(guān)系；

（2）通過高速紅外熱像儀所捕獲的火焰燃燒過程可知，底火火焰持續(xù)時(shí)間為3～4 ms，火焰隨時(shí)間的變化特點(diǎn)可分為：擊發(fā)、擴(kuò)散、成型、消散4 個(gè)階段，不同階段的溫度差異很大；

（3）利用MATLAB 軟件處理紅外圖像得到溫度分布圖，證實(shí)了成型火焰焰頭、焰尾區(qū)域溫度梯度可達(dá)800 ℃以上。