基于高速离轴全息可视化方法的Al/AP/HTPB推进剂燃烧性能研究
吴迎春，卓 著，吴世曦，周重洋，秦 钊，杨燕京，赵凤起，吴学成
(1.浙江大学 清洁能源利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027；
2.湖北航天化学技术研究所 航天化学动力技术重点实验室，湖北 襄阳 441002；
3.西安近代化学研究所 陕西 西安 710065)
固体推进剂是固体火箭发动机的动力来源，被广泛应用于导弹、小型卫星、空间飞行器等领域[1-2]。其性能的优劣决定了推进设备的动力性能，因此在航空航天领域的发展中起到十分重要的作用。传统的固体推进剂主要由高能有机物及强氧化剂组成，不仅要求具有优异的热释放性能，同时还要求具有较高的单位体积质量或单位体积能量。另外，由于金属及其化合物粉末具有较高的燃烧热值，开始被广泛地应用到固体推进剂中。目前，常用于固体推进剂中的金属燃料包括Be、B、Mg、Al和Zr等[3-4]。其中，Al又凭借其储量大、成本低、无毒、高热值、高密度等优点，在航空航天等领域得到了广泛应用[5]。
多年来，国内外众多学者对固体推进剂燃烧特性展开过充分研究[6-10]。传统的推进剂燃烧诊断方法有产物收集法[11]和直接成像法[12]。产物收集法通过收集燃烧产物并进行后续的成分分析来得到推进剂燃烧相关信息，因此，其较常用于恶劣工况及宽压强范围的实验研究。但是该方法只能获得燃烧结束时的产物信息，无法实现燃烧过程中信息的提取。直接成像法通过成像手段来拍摄燃烧场的动态演变过程，可以直观地反映出燃烧过程中颗粒燃烧和火焰等动态行为变化过程。但鉴于恶劣的燃烧环境，该方法一般无法对火焰进行穿透成像，在微观层次上的观测也在很大程度上受限于成像景深，只能捕捉到一些在焦平面上的信息。另外，纹影法[13]和阴影法[14]等一些其他成像方法也经常被应用于燃烧诊断中，但是基本上都属于二维瞬态测量成像方法，无法获得燃烧过程中颗粒的三维信息。除此之外，干涉成像技术也是一类实用的诊断方法，不同于上述的成像方法，这类方法能够在一定程度上摆脱火焰的干扰，且具有一定的三维成像能力，数字全息技术是其中一种典型代表。近年来由于数字全息技术具有三维、瞬态、实时和多参数等诸多测量优势，在推进剂燃烧诊断方面展现出了强大的应用潜力，并且通过结合其他测量技术，能够实现更加全面的推进剂燃烧诊断。Chen等[15]利用数字同轴全息技术和热成像技术研究固体推进剂中铝颗粒的燃烧。以含铝AP/HTPB推进剂为研究对象，通过数字同轴全息技术对铝颗粒尺寸和速度进行了测量，同时通过双色成像测温法对推进剂燃烧过程中的温度场进行了测量。金秉宁等[16]通过数字全息技术对固体推进剂铝燃烧过程进行了三维动态测量，通过追踪动态燃烧过程中的铝颗粒，得到了颗粒粒径、粒径分布、颗粒运动速度、燃烧火焰区域以及氧化帽的动态生成过程等信息。
本研究采用高速数字离轴全息技术研究了Al/AP/HTPB推进剂燃烧过程，并从一系列时间分辨的全息图中研究了推进剂燃烧过程中铝颗粒的三维分布和运动过程，分析了燃烧过程中铝颗粒的典型行为。相比于同轴数字全息技术，离轴数字全息技术不存在孪生像的干扰，重建图像更为清晰。同时，离轴全息配置使得参考光能够绕开火焰，在一定程度上消除了火焰所带来的像差。研究表明高速数字离轴全息三维成像技术在固体推进剂燃烧时间分辨三维可视化研究方面具有较强的实用性，并具有广阔的应用前景。
1.1 实验装置
离轴数字全息系统示意图如图1所示。
图1 离轴全息系统示意图Fig.1 Schematic of the off-axis holography system
离轴全息系统主要由激光器、空间滤波器、分束立方、反射镜、滤光片以及相机等组成。实验中所采用的激光器是波长为532nm的连续激光器。激光器发出的激光首先经过空间滤波器及透镜进行滤波、扩束和准直后得到直径约为50mm的均匀平行激光束。之后，平行激光束通过分束立方体，分成两束平行激光，一束为透射激光，另一束为反射激光。透射激光经过固体推进剂燃烧场，与经过反射镜两次反射的反射激光束在相机前方的分束立方体处耦合。之后两束激光束被高速摄像机记录下来。透射激光照射燃烧场中的颗粒，产生的散射光在离轴全息中被用作物波。反射激光束被用作独立参考光。通过旋转相机前方分束立方体可以调整参考光的角度，从而得到合适的离轴角度。实验中所使用的高速相机的分辨率为1280×800像素，相机的记录频率为25000帧/秒，曝光时间为4μs。高速相机前采用了放大倍率为2.7倍的放大镜头，得到的全息图像其等效像素大小为10.4μm。为了抑制燃烧的铝颗粒引起的强辐射干扰，相机镜头前面安装了一个窄带滤光片，中心波长为532nm，半高宽为7nm。本实验中固体推进剂的燃烧过程是在开放环境下空气中常温常压的情况下进行的。
1.2 推进剂样品
实验中采用的固体推进剂属于自制样品，主要成分(质量分数)为：13%黏合剂、17%Al、60%AP以及10%RDX，其中AP、Al、RDX粒径分别为130～450μm、(29±2)μm、20μm；
HTPB为I型。每次试验所采用的燃烧样品为5mm×5mm×10mm的矩形状长条。
1.3 数据处理方法
离轴全息结果图可以通过角谱重建法进行重建，从而得到在某一深度位置范围内的重建图像，见式(1)：
(1)
(2)
式中：(fx,fy)为频域坐标。
然后，三维颗粒场沿着深度方向逐步重建。因为颗粒与背景有很高的对比度，因此通过阈值算法检测颗粒。然后用Tenengrad的局部方差来确定颗粒的深度位置。深度方向的定位精度在数百微米[17]。
2.1 燃烧场全息图像重建
离轴全息原始图像如图2所示。图2(a)显示了推进剂燃烧瞬间的原始全息图，可以看到其条纹清晰且对比度较高。图2(b)分别为图2(a)中红色虚线矩形标记区域的重建颗粒图像。红色虚线矩形标记区域的重建颗粒在z轴方向上分别聚焦在284.4、404.3以及324.9mm处。3个颗粒在z轴跨度上较大，说明固体推进剂的燃烧剧烈，颗粒喷溅范围大，这与实际中观察一致。离轴全息技术能够实现较大的成像景深，这是一般的成像方法所不具备的。同时，图2(b)的重建图像不存在孪生像干扰，可以得到清晰的颗粒重建图像，这是离轴全息技术的一大优点。另外，在推进剂燃烧过程中发现了3种典型燃烧现象，即燃烧过程中样品表面的剥落现象，铝颗粒的微爆炸现象以及可以观察到燃烧颗粒的尾流与火焰面。最后通过数字离轴全息技术还能够定量地对观测到的铝颗粒进行时间分辨的三维重建，从而得到燃烧铝颗粒的等效粒径、三维分布和轨迹的重建图。
图2 离轴全息原始图像与重建图像Fig.2 Off-axis holographic original image and reconstructed holograms
2.2 燃烧过程中样品表面的剥落
图3为同一推进剂燃烧情况下，不同时刻的全息重建图。从图3中可以发现，在推进剂燃烧过程中组分会从推进剂样品表面剥落分离。分离过程分为两种，其中一种如图3(a)所示。图3(a)给出的一组全息重建图为颗粒从样品表面缓慢分离的情况，每张图片间隔时间为0.4ms，颗粒从样品表面分离的平均速度约为0.588m/s，分离的颗粒由图中红色虚线圆圈包围的区域指出。另一种分离过程是颗粒以一个初速度迅速离开样品表面，如图3(b)所示。其给出了一组全息重建图为颗粒从样品表面以一定初速度分离的情况，每张图所示间隔时间为0.12ms，颗粒从样品表面分离的平均速度约为6.320m/s。颗粒以一定的初速度分离，可能是由于固体推进剂的不均匀性引起的。固体推进剂本身是通过将多种材料混合制成的，各个组分之间可能存在很小的缝隙。那么在燃烧过程中，这些缝隙相当于一个个通道，通道内存在空气，在燃烧过程中，通道内的空气被加热，导致压力升高。并且由于高温，AP和HTPB被热解生成氧气、氮气、一氧化氮以及丁二烯等气体，气体的产生会引起压力的快速升高，从而可以使颗粒获得较高的初速度，导致颗粒以一定初速度离开推进剂表面。
图3 颗粒剥离燃面的情况Fig.3 Particles stripping from the burning surface
2.3 微爆炸现象
一组推进剂燃烧过程中出现的颗粒团微爆炸现象如图4所示。需要说明的是，图4中的各个颗粒并非处于同一聚焦平面，而是经过景深拓展算法处理后被提取到同一平面[17]。
图4 微爆炸现象Fig.4 Micro-explosion phenomenon
图4(a)为颗粒微爆炸前的颗粒图像，并用红色虚线圆圈标记。燃烧过程中这两个微颗粒/颗粒团发生了微爆炸，并迅速分裂为多个小碎片。图4(b)是爆炸发生后，颗粒碎片的空间运动图像。每两张图像之间的时间间隔为0.08ms。微爆炸发生的原因可能是由于在团聚铝液滴内部存在AP和HTPB成分。AP和HTPB在高温下热解并生成气态产物，气体的产生导致内部压力快速升高，从而使颗粒团产生微爆炸。其次，可能是由于AP热解会产生氧化剂，产生的氧化剂促使反应在颗粒团内部发生，从而导致内部压力迅速升高，引起了微爆炸现象。同时，从物理性质层面出发，推进剂成分中的铝在燃烧过程中生成熔点极高的氧化铝，其熔点大致为2327K。相比之下，熔融铝的温度大致为933K，因此当氧化铝产物沉积并附着在铝液滴表面时，将对铝进行加热，这可能导致一部分液态铝迅速蒸发，从而产生微爆炸。
2.4 尾流与火焰面
燃烧过程中捕捉到的燃烧的铝颗粒尾焰如图5所示。
图5 燃烧颗粒尾焰Fig.5 The wake flame of the burning particle
图5(a)为原始全息图像；
图5(b)给出了重建后的图像，可以很清晰地观察到燃烧过程中铝颗粒存在明显的尾流。尾流主要由火焰构成，其次是铝燃烧过程中生成的凝相产物。凝相产物是气态Al2O3放热冷凝生成的液态产物，它在火焰的外层冷凝，同时凝相产物也会在燃烧铝的表面沉积从而形成氧化帽[18]，这是铝燃烧的一个典型特征。值得一提的是，由包裹在颗粒周围的高温火焰引起的折射率急剧梯度将带来类似于透镜的光学效应，进而可能在全息重建颗粒图像中引入像差。图5(b)中重建颗粒的清晰图像表明，采用离轴全息技术在一定程度上抑制了这种像差干扰，而在同轴全息中，火焰的这种光学效应将导致内部颗粒在重建时出现严重的失调，无法清晰准确地重建出颗粒的轮廓。
此外，离轴全息技术还能够定性地观测到燃烧场中的热波。图6给出了一组全息图像，其中图6(a)为原始全息图，每两张图像之间的时间间隔为1ms，图6(b)为其中一张原始全息图的重建图。
图6 燃烧颗粒火焰面Fig.6 The flame surface of burning particles
在图6(a)红色虚线矩形标记区域中可以观察到多个白色的曲型波纹，这是燃烧场中经常观测到的扩散波。同样，重建图中可以看到对应的深色轮廓。之所以能观测到这种波纹，是因为曲型波纹具有相较周边来说区别较大的折射率，因此它可以被视作为火焰前锋或者为高温的扩散波。这种曲型波纹现象在离轴全息记录的过程中可以普遍观察到。
2.5 颗粒三维重建
通过数字离轴全息技术还能够定量地对观测到的铝颗粒进行时间分辨的三维重建。离轴全息技术所得到的高质量的全息图像，有利于在全息重建中对颗粒进行检测和定位，然后从一系列的时间分辨全息图中获得颗粒粒径大小和三维分布的演变。从数十张连续全息图中重建得到的颗粒等效粒径、三维分布和轨迹的重建图像如图7所示，所用于重建的连续全息图其时间间隔为40μs。重建图中不同时刻的颗粒场用不同颜色标记，球体大小与颗粒的等效直径成正比。
图7 铝颗粒的等效粒径、三维分布和轨迹的示意图Fig.7 Schematic of the equivalent particle size,3D distribution and trajectory of Al particles
由图7可以看出，大多数颗粒向上移动，另外，一些颗粒运行轨迹在图中是连续的，且与火焰的方向相同。通过对燃烧颗粒场进行时间分辨的三维重建，可以对颗粒场燃烧运动过程进行可视化研究。这些结果证明了用高速离轴全息对燃烧颗粒场进行时间分辨的三维成像能力。
(1)燃烧过程中燃烧颗粒从样品表面剥离，其剥落分离过程分为缓慢剥离及存在一定初速度离开表面两种。
(2)离开样品表面的燃烧颗粒存在微爆炸现象，在燃烧过程中颗粒破碎并分为多个小颗粒继续燃烧。可明显观察到燃烧颗粒存在的尾流火焰、火焰前锋或高温的扩散波。
(3)证明了高速数字离轴全息技术其在推进剂燃烧诊断中的实用性，为今后研究固体推进剂燃烧提供了一种有效的试验手段与工具。
猜你喜欢离轴全息图全息基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计红外技术(2022年11期)2022-11-25基于自由曲面的紧凑型离轴三反无焦系统设计光子学报(2022年5期)2022-06-28全息? 全息投影? 傻傻分不清楚军事文摘(2022年8期)2022-05-25全息欣赏：小学美术“欣赏·评述”学习新样态少儿美术(2019年11期)2019-12-14反射式红外多波段准直投影光学系统设计航空兵器(2019年2期)2019-05-30全息技术在公共景观设计中的应用研究湖南城市学院学报（自然科学版）(2016年2期)2016-12-01宽谱段、动态局部高分辨离轴主动反射变焦系统光学精密工程(2016年1期)2016-11-07医学领域：可“触摸”全息图技术面世中国光学(2016年1期)2016-02-26能触摸的全息图发明与创新·中学生(2015年9期)2015-09-05全息影像造就“立体新闻”——全息影像技术在传媒领域中的应用中国记者(2014年9期)2014-03-01