固体火箭推进剂排气羽烟检测技术

Ξ 固体火箭推进剂排气羽烟检测技术 孙　美, 王　宏, 王　中, 段安平 (西安近代化学研究所, 陕西 西安　710065) 摘要: 研制了一套固体火箭发动机装药排气羽烟特征信号的检测系统, 确定了固体推进剂发动机的实验条件, 对 4 种推进剂进行实时检测, 得出燃气烟雾对多波段信号衰减的透过率, 并对测量系统可能带来的误差因素及系 统的不确定度进行了分析。 关键词: 固体火箭推进剂; 羽烟; 检测技术; 特征信号 中图分类号: TQ 562　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 100727812 (2004) 0420069203 A Novel Technology for D etecting Sol id Rocket Propellan t Plum es SUN M ei, WAN G Hong, WAN G Zhong, DUAN A n2p ing (X i′an M odern Chem istry R esearch Inst itu te, X i′an　710065, Ch ina) Abstract: 　A n advanced facility and co rresponding m ethod fo r real2t im e detect ing exhaust p lum e of rocket mo2 to rs have been estab lished. In o rder to determ ine the experim en t condit ions of detect ing the p lum es using th is new facility and m ethod, the electro2m agnetic w ave transm it tances of p lum es of rocket mo to rs loaded w ith fou r types of so lid p ropellan ts respect ively, w ere m easu red. T he experim en tal resu lts indicate that th is new tech2 n ique can be used to characterize signatu res of various types of p ropellan tsw ith sat isfacto ry repeatab ility and ac2 cu racy. Key words: 　so lid rocket p ropellan t; p lum e; detect ing techn ique; signatu re 引　　言 特征信号是指火箭发动机在工作过程中形成羽流的可见性、辐射特性及对各种制导信号的干扰特性。 固体推进剂在燃烧时产生大量的烟雾和火焰, 直接影响导弹的制导性能和隐身性能, 烟焰过大会造成制导 系统丢失目标, 同时也成为敌方发现该武器的重要识别途径, 影响了武器的打击精度和生存能力。通过对 固体推进剂燃烧时产生烟雾的检测, 对精确制导作战武器的研制有着重要的指导意义。 烟雾分为一次烟和二次烟两种。一次烟主要来自推进剂自身固体颗粒以及包覆层裂解和发动机壳体、 喷管被冲刷而产生的固体颗粒, 主要是金属氧化物和碳粒子; 二次烟主要来自高氯酸铵及硝酸铵推进剂燃 烧产生的氯化氢气体, 在特定的湿度和温度条件下, 与空气结合形成H 2O 及HCL 的共沸液滴烟云。由于 固体火箭发动机在燃烧时, 一次烟和二次烟在测量时无法分开, 主要应用一次烟和二次烟的分类和预估软 件进行分析。 我国特征信号的检测技术, 经过几十年的技术发展, 经历了 3 个发展阶段: 第 1 阶段是烟室法, 即利用 小型密闭燃烧室, 把测量样品放在充氮气高压环境下进行燃烧, 收集烟雾, 进行烟雾透过率的测量, 由于烟 室法的测量环境和推进剂在发动机中的实际工况不同, 造成测量结果在某些时候有严重误差。第 2 阶段, 地面静止试验发动机法。用缩比或试验小发动机进行地面试车, 进行烟雾透过率的测量。第 3 阶段, 用远距离遥测的测量仪器, 进行飞行试验实弹测量。西安近代化学研究所利用地面静止试验发动机法检测 固体推进剂排气羽烟对多波段信号衰减的透过率, 表征烟雾的大小, 从而建立了一套能对推进剂排气烟雾 进行准确测量的定值系统, 制定了有关的国军标及企业标准, 可对不同推进剂装药的烟雾性能进行测试, 有较高的数据重复性和分辨率, 为低特征信号推进剂的研制提供了大量的数据。对已建立的固体火箭发动 96　 第 27 卷第 4 期 2 0 0 4 年 1 1 月 火 炸 药 学 报 Ch inese Journa l of Explosives & Propellan ts Ξ 收稿日期: 2004- 04- 14 作者简介: 孙美 (1962- ) , 女, 工程师, 从事固体推进剂装药特征信号检测技术研究。 机排气羽焰的流场测温、火焰红外辐射流场分布测试、燃气粒度测试、燃气组分等测试方法, 也制定了相应 的标准, 对所得数据进行量值传递, 这将会对我国的推进剂发展起到积极的促进作用。 1　实验原理及实验装置 一次烟和二次烟测试的透过率法是目前国内外烟雾检测最常用的一种方法, 其基本原理依据朗伯- 贝尔定律。应用一束光透过样品区后, 测量能量的透过率 (衰减量) , 用百分比表示。烟雾透过率表示为Σ= I öI 0 = e- Αd l 图 1　固体推进剂特征信号烟雾检测系统 F ig. 1　T he detect ing system of the characterist ic signatu re 式中, Σ为透过率; I 是进入燃气衰减层前的辐射光强; I 0 是穿过燃气衰减层后的辐射光强; Α为消光系数; d 为质量 密度; l 为光程长度。要实现对固体推进剂燃气烟雾的准确 测量, 必须研究试验的外部条件控制及烟雾透射计研制。 作者吸取国外烟雾测量装置的优点, 在国内率先建立了推 进剂特征信号烟雾测量系统 (见图 1)。可以测量紫外 (0. 2Λm～ 0. 4 Λm )、可见光 (0. 4 Λm～ 0. 7 Λm )、红外 (1 Λm～ 3Λm、3 Λm～ 5 Λm、8 Λm～ 14 Λm )、激光 (0. 9 Λm、1. 06Λm、10. 6 Λm )信号的透过率。 2　实验条件 采用 5 50 mm 标准发动机, 带测压孔, 喷管选取使压力控制在 7 M Pa (允许 0. 5 M Pa 的误差) ; 推进剂 装药为自由装填的单孔管状药, 长度 120 mm , 外径 5 45 mm , 内径 5 8 mm , 单端包覆, 根据密度不同, 装药 量为 300 g 左右; 黑火药 (5～ 9) g, 电流点火头, 玻璃纸外包; 环境条件为温度 (20±2) ℃, 湿度 (60± 10) % ; 采用烟雾测量通道, 使通过烟雾通道的烟雾混合均匀, 达到测量密度均一化, 从而提高了测量的重 复性。 烟雾透射计是测量烟雾透过率的基本仪器。主要由光源、接受传感器、调制器、放大输出、计算机采集 及处理等部分组成。光源一般选用卤素钨灯、高压汞灯、黑体、能斯特灯、Globar 灯等。接受传感器根据相 应波段, 一般采用硅光二极管、硫化铅、硒化铅、锑镉汞、锑化铟以及热释电器件。调制的目的在于消除外界 杂散光的影响, 目前的调制频率选择 1 kH z 左右。放大输出电路采用前放、选频、线性放大和整流输出, 由 多通道数采系统完成采集, 采集时设置内触发模式。 3　实验结果与不确定度分析 表 1　4 种推进剂烟雾透过率测试数据 T ab le 1　T esting resu lts of electro2m agnetic w ave transm it tances of p lum e 推进剂 可见光透过率ö% 红外透过率ö% 激光透过率ö% SQ 22 86. 8 91. 5 86. 0 SD P210 73. 8 81. 0 68. 0 M TW 89. 5 90. 2 86. 7 171225 54. 2 78. 9 52. 93. 1　实验结果选用 4 种推进剂作为实验样品, 用烟雾检测系统进行测试, 结果见表 1。表 1 显示, 171225 推进剂燃烧烟雾最大。推进剂在研制过程中, 常采用消烟剂、消焰剂、电子捕捉剂、限制A P 的含量等手段提高推进剂的烟雾透过率性能。3. 2　测量标准不确定度分量分析3. 2. 1　烟雾透射仪重复性引入的不确定度 (u 1) 烟雾透射仪开机预热 30 m in 后, 用标准的滤光 片分别进行单片、双片、三片对透射仪校准, 每 10 m in 记录一组数据, 得出不同波段透过率静态校标测量 07 火 炸 药 学 报 第 27 卷第 4 期　 结果的不确定度, 其结果为可见光透过率 0. 37% , 红外透过率 0. 44% , 激光透过率 0. 54%。 3. 2. 2　发动机压力变化引入的不确定度 (u 2) 若发动机、推进剂用量、装药方式、测试方法完全一样, 只是改变喷喉尺寸, 则发动机压力变化对烟雾的 测试带来较大影响。根据经验, 一般发动机的设计压力(7±0. 5) M Pa, 该不确定度分量 u 2 可用下式计算: u 2 = 1 7 × 5% = 0. 71%。 3. 2. 3　发动机装药质量变化引入的不确定度 (u 3) 根据朗伯2贝尔定律, 可以推导出下式: logT c = 300 m logT r (2) 式中, m 为发动机实际装药质量, g; T c 为校正后的透过率值, % ; T r 为装药m 克发动机的烟雾透过率 值, % ; 300 为目前采用 5 50 mm 发动机的标准装药质量, g。根据 (2)式, 认为装药质量的变化为±5 g。进 表 2　测试系统不确定度分量综合表 T ab le 2　U ncerta in ty of the characterizat ion facility i 不确定度分量 不确定度来源 A 类不确定度ö% 1 u1 烟雾透射仪重复性 0. 37; 0. 44; 0. 54 2 u2 发动机压力变化 0. 71 3 u3 发动机装药质量 0. 90 4 u4 外界环境温湿度 1. 00 5 u5 发动机振动对透射仪的影响 0. 05 行估算可知, 质量变化带来的透过率不确 定度 u 3 为 0. 90%。 3. 2. 4　环境变化引入的不确定度 (u 4) 环境中的温度和湿度变化, 对二次烟 的产生带来很大的影响 (主要是对复合类 推进剂)。根据经验数据及国外相关测试 数据, 分析环境温湿度的影响, u 4 为 1. 00%。 3. 2. 5　发动机振动对透射仪的影响引入 表 3　不同波段透过率测试值合成不确定度值 T ab le 3　T he com bined values of uncerta in ty of transm it tances in differen t w ave bands 项目 可见光透过率ö% 红外透过率ö% 激光透过率ö% 合成标准不确定度 1. 57 1. 58 1. 63 扩展不确定度 (k= 2, p = 95% ) 3. 14 3. 16 3. 26 的不确定度 (u 5) 发动机的振动也会影响测 量结果, 利用空白采样知 u 5 为 0. 05%。 由于各标准不确定度互不 相关, 故推进剂燃气一次烟二次 烟的合成不确定度 u c ( Σ) = u 2 1+ u 2 2+ u 2 3+ u 2 4+ u 2 5 , 扩展不确 定度U = ku c。 4　结论 (1) 固体推进剂的一次烟雾由组分中的金属及其氧化物的含量决定, 金属含量越多, 一次烟雾量越 大。对于二次烟, 一般情况下, 相同质量和相同发动机的复合推进剂 (含A P 和A l 粉)产生的烟雾浓度远大 于双基类和改性双基类推进剂。 (2) 燃气烟雾的测定影响因素很多, 其中发动机装药质量、外界环境因素等对燃气烟雾的测定影响较 大, 而透射仪本身的影响较小。 参考文献: [1 ]　A. 达维纳[法 ]. 固体火箭推进剂技术[M ]. 北京: 宇航出版社, 1997. [2 ]　王宏. 固体火箭发动机特征信号检测技术研究[M ]. 国防军工计量交流会论文集, 2001. [3 ]　冯伟, 袁宗汉, 刘桂生, 等. 固体推进剂烟信号分类[J ]. 火炸药学报, 1997, 19 (3) : 125. [4 ]　国家质量技术监督局计量司组编. 测量不确定度评定与表示指南[P ]. 中国计量出版社, 2000. [5 ]　刘长城. 烟雾红外消光的理论研究[J ]. 弹箭技术, 1992, (2). 17　第 27 卷第 4 期 孙美, 王宏, 王中, 等: 固体火箭推进剂排气羽烟检测技术