基于蓝光阴影图像法的固体推进剂药条燃速测量方法.pdf

第 卷第 期 固 体 火 箭 技 术 基于蓝光阴影图像法的固体推进剂药条燃速测量方法胡海航，樊 荣，杨 杨，万代红，时志权，邓栩昌，杨 斌（上海理工大学 能源与动力工程学院 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海；上海航天动力技术研究所，上海）摘要：针对图像法固体推进剂药条燃速测量方法受火焰辐射影响问题，提出蓝光阴影图像法固体推进剂药条实时燃速测量方法，搭建相应的实验测量系统并进行燃速测试。在常压下利用该方法对药条 进行了 次重复性实验，开展了 种不同配方推进剂药条燃速测试，将蓝光阴影图像法得到的拟合燃速与靶线法测试结果进行对比，并对 种药条的实时燃速进行分析。结果表明，与直接成像法比较，蓝光阴影图像法可有效消除燃面处火焰自发辐射影响，提高燃面识别精度；对药条 进行的重复性实验中，平均值为 ，标准差为 ，扩展不确定度为 ，表明方法具有较高的稳定性；种药条的拟合燃速与靶线法燃速结果对比，最大相对偏差为，说明该方法具有较高的测量精度。分析 种药条实时燃速的波动性发现，燃速高的药条往往其波动性较大，燃速接近时药条的波动性主要受药条配方的影响。关键词：固体推进剂；燃速测试；实时测量；蓝光阴影图像法；燃面识别中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，收稿日期：；修回日期：。基金项目：国家自然科学基金（）；上海市自然科学基金（）；上海航天科技创新基金（）。作者简介：胡海航，男，硕士研究生，研究方向为燃烧诊断技术。通讯作者：杨杨，女，博士 讲师，研究方向为燃烧与多相流在线测量技术。：；引言燃速是表征固体推进剂燃烧性能的重要参数之一。目前，固体推进剂燃速测量方法主要有靶线法、水下声发射法、超声波法、密闭燃烧器法、图像法等。其中，靶线法、水下声发射法都是通过测量固定长度推进剂的燃烧时间并由此计算平均燃速，以平均燃速来表示燃速的大小。王英红等对靶线法燃速仪的测试计时系统进行了改进，有效解决了残渣导电对燃速测试的影响，提高了测试效率。石磊等通过在药条支架上安装绝缘防烧蚀挡板，在燃烧室管路系统中使用过滤除尘器等方法，有效地解决了贫氧推进剂靶线法燃速测试中出现的非正常砸断、管路堵塞以及压强波动无法监测等问题，提高了测试精度。等利用靶线法对推进剂燃速进行测量，获得了 复合推进剂在低压条件下（）的燃速，并研究了不同燃料（铝和硼）和不同催化剂（丁基二茂铁和氧化铁）对 推进剂在亚大气压下燃烧特性的影响。张劲民等通过研究贫氧推进剂燃烧声信号的频带特性和不稳定特性结合计算机技术，研制了更适用于贫氧推进剂燃速测试的新型声发射燃速仪。等利用声发射燃速测试系统对 复合推进剂燃速进行测量，发现改性的氧化铁纳米颗粒使得燃速发生了显著的变化。为了获得动态燃速，可通过多靶线设置获得准动态燃速，多靶线法是裴庆等在靶线法的基础上提出的一种自升压式动态燃速的测试方法，与靶线法相比能够更清晰地表征出药条的动态燃速。多靶线法理论上能够获得药条的动态燃速，但实际上相邻的靶线也有一定的间距，因此多靶线法也只能得到准动态燃速。针对动态燃速的测量，基于超声、图像技术等原理的方法也得到了广泛的研究。孙得川等利用超声波数据采集卡搭建了超声波实时燃速测量系统，经过实验得到了低压范围内的实时燃速数据以及燃速与压强的对应关系，并将其运用到固体火箭发动机中，能够有效获得装药厚度变化。罗天佑针对超声波法测量固体推进剂燃速工业化应用的可行性进行了讨论与分析，修正了燃烧室压强对测试结果的影响，设计了专门用于超声波技术的高压密闭燃烧器系统并进行了实际点火测试。等利用超声法，并结合小波分析方法分析了由于多普勒效应而发生频移的反射波，能够得到固体推进剂的瞬时线性燃烧速率，为固体推进剂的不稳定性研究提供了有力的工具。为了能够满足固体推进剂制造工业中的常规测量需求，等提出了一种用小圆柱试样进行超声波法燃速测试的方法，并且验证了其测量的可靠性，同一批推进剂的燃速测量标准差小于。但超声法的测量精度容易受到外界环境因素的影响。图像法具有能够在不影响推进剂燃烧的情况下对推进剂药条动态燃速进行非接触式测量优势。等运用数字图像处理的原理，根据图像定位出推进剂在各时刻的燃烧面，采用数字图像处理方法对瞬时燃烧速率进行了测量，测量精度可接受。等利用图像法研究了铝冰推进剂在小型发动机中燃面的推移，计算出线性燃速与燃速压强指数；罗中平等运用图像法对双铅 固体推进剂在静态条件下进行动态燃速的测量；余协正等利用图像法对石英玻璃管中 的燃烧特性进行了研究。等利用图像法对在压强突降条件下推进剂的燃速变化的研究，且观察到压强突变时火焰结构和燃烧表面的变化过程。等利用红外相机捕捉推进剂燃烧过程，通过跟踪火焰反应区的最亮点来确定推进剂燃速。等利用 相机通过石英窗口连续捕获推进剂燃烧过程图像，通过分析每一张图片连续火焰峰的位置，从而获得推进剂燃速。图像法测量燃速可以获取药条燃烧的实时燃速，并且不存在靶线熔断时间滞后的问题，可以改善异常燃烧现象等随机过程对燃速测量系统不确定度的影响。但目前图像法测量燃速仍存在一定的问题，在图片采集过程中，由于火焰自发辐射光较强，很难识别到燃烧端面，这对图像处理过程中燃面的识别有较大影响，并且由于药条包覆层的存在，药条会出现残渣堆积的现象，从而会对测量结果产生影响。因此，为了解决上述图像法燃速测试中的问题，本文提出了蓝光阴影图像法测量固体推进剂药条燃速的方法，并开展了不同配方推进剂药条的实时燃速测量实验研究。蓝光阴影图像法燃速测量系统典型固体推进剂燃烧火焰辐射光谱如图 所示，火焰辐射光主要集中在 以上，为了消除固体推进剂燃烧火焰辐射对燃面识别的影响，选用蓝光 光源，其光谱主要集中在 附近。因此，通过蓝光光源与蓝光滤光探测结合的方式对固体推进剂药条燃烧过程进行成像，可过滤火焰辐射光，仅对蓝光光源及固体推进剂药条阴影图像进行成像。测量系统结构 年 月胡海航，等：基于蓝光阴影图像法的固体推进剂药条燃速测量方法第 期示意图如图 所示。通过连续采集药条燃烧过程中的图像，并对采集到的图像进行处理，可以得到不同时刻药条的高度，根据连续拍摄图片中药条的高度差以及采集图片的时间差，可以得到药条的实时燃速。其中，本文所测药条形状为长方体，尺寸为 ，实验中点火方式为电点火，实验过程中同步进行靶线法燃速测试，为使药条保证成稳定的平行层燃烧，点火后有一段长 的稳定燃烧段。40000350003000025000200001500010000500003004005006007008009001000 1100Wavelength nm/CountsPropellant spectrumBlue light spectrum图 推进剂自身辐射光与蓝光光谱 Ignition targetFirst target450 nm filterBlue lightLast targetCamera图 测量系统结构图 蓝光阴影图像识别处理与精度验证在进行实验前需先用标定板标定相机镜头参数，标定好以后保持各参数不变进行实验。实验在通风较好条件下的实验室展开。将推进剂测量药条置于常压的实验台上，实验台上方设有抽气罩，以便将药条燃烧产生的烟雾清除，保持实验室空气洁净。利用图像法分析燃速的关键就是对图像信息进行处理，对药条图像信息处理后首先得到的是像素个数，为了获得药条实际高度，需要知道单位像素代表的实际尺寸。因此在进行实验前，需要对相机及镜头参数进行标定。标定实验如图 所示。本文采用的镜头为远心镜头，工作距离为，标示放大倍率为 倍，像元尺寸为。本实验通过选择标定尺上 根不同线条进行标定，以获得单位像素相对应实际视场尺寸。标定图像如图 所示，标定结果如表 所示。图 标定实验 0 65 mm0 70 mm0 75 mm.图 放大倍率为 倍的标定图 表 标示放大倍率为 倍的标定结果 （）固体推进剂药条燃速测试结果与分析 直接成像法与蓝光阴影图像法的对比由于直接成像法受自身辐射光的影响大，对后期图像处理造成了很大的困难。针对此问题，本文提出蓝光阴影图像法对固体推进剂药条燃烧过程成像。本文以药条在两种不同成像方法下得到的数据来进行比较。图 为药条燃烧过程中，不同时刻直接成像法和蓝光阴影图像法捕获的图像。可以明显观察到，直接成像法采集到的图像受药条火焰自身辐射光的影响非常大，在不同的燃烧状态，图像亮度忽明忽暗，药条边缘被自身的辐射光淹没，无法获取端面信息，对后期图像处理带来很大困难。而蓝光阴影图像法成像捕获的 年 月固体火箭技术第 卷图像对比度更高，边缘更加清晰，消除了药条火焰自身辐射光对成像的影响，能够清晰稳定地获取燃烧过程中各时刻的药条端面图像。以燃烧后第 的药条图像为例，直接成像法和蓝光阴影图像法处理图片流程分别如图、图 所示，对采集到的相片经过图像处理技术获得每张图片的药条高度信息。先将图像转换为数字图像，将其灰度化，再通过中值滤波的方法对其图片进行去噪，经过锐化增强其对比度，然后将图像二值化，从而提取端面平均高度。可以发现直接成像法的边缘较为模糊，并且由于自身辐射光影响，出现还未燃烧。但处理后的图像上药条有空隙的现象。0 96 s.5 4 s.8 2 s.11 2 s.（）0 96 s.5 4 s.8 2 s.11 2 s.（）图 直接成像法和蓝光阴影图像法在燃烧过程中成像图片 图 直接成像法的图像处理流程（原图灰度化去噪锐化二值化）（）图 基于蓝光阴影图像法的图像处理流程（原图灰度化去噪锐化二值化）（）实验过程中发现，由于包覆层的存在，使得一些特定材料包覆层药条在燃烧时会出现包覆层残渣堆积的现象，如图（）所示。这会使得图像处理过程中难以准确的捕获燃烧端面，造成蓝光阴影图像法燃速测量时出现异常。针对由于包覆层残渣堆积引起的燃速测试异常问题，在图像处理过程中可以识别每张图片燃烧端面最高点与最低点像素点的差值，利用 对 进行分析，的公式：式中 为平均值；为标准差；为样本值距离平均值多少个标准差。1 048 s.3 177 s.5 175 s.7 089 s.9 106 s.（）1 115 s.4 691 s.9 115 s.12 782 s.15 955 s.（）图 不同药条燃烧过程中的残渣堆积现象 通过观察，在药条燃烧过程中出现残渣堆积现象时，值也会较大，本文结合实验实际情况，当 时，药条燃烧端判别受到残渣堆积的影响较大，应当将该图片剔除，从而削弱残渣堆积对燃速测量的影响。推进剂药条 某时刻下的燃烧端面如图（）所示，图（）表示推进剂 在不同时刻下燃烧端面的，经过计 算，的 平 均 值 为 ，标 准 差 为，因此剔除掉 的图片。年 月胡海航，等：基于蓝光阴影图像法的固体推进剂药条燃速测量方法第 期（）6050403020048121640 3.Valid dataInvalid dataTimes-/t（）图 不同时刻下药条 的 典型药条燃速图像处理结果本文通过获取推进剂药条燃烧过程中不同时刻的燃烧端面图像，并对图像进行特征提取，识别药条燃面空间信息，最终得到推进剂药条的实时燃速，实现固体推进剂药条实时燃速测量。采用蓝光阴影图像法对药条 进行燃速测试，其高度时间（）图如图（）所示，其中线性拟合关系式斜率的绝对值可以认为是平均速度，本文称为图像法的拟合燃速，其值为 ，线性拟合的决定系数 为 。实时燃速时间（）为 图中相邻两点连线的斜率绝对值（见图（），从 图中可得，药条 各时刻下的实时燃速围绕拟合燃速 上下波动，其中最高实时燃速和最低实时燃速分别为 和 ，这是因为药条的燃烧本就不是一个稳定的过程，其各时刻的燃速是有波动的。本文对药条 进行了 次独立的重复性实验，得到的拟合燃速实验结果依次为、。由于测量环境满足严格的标准要求，可忽略环境等因素对测量的影响，故影响测量精度的主要因素是重复性引起的标准不确定度分量。同种药条下的 次测量结果的算术平均值为 根据贝塞尔公式得到的单次测量标准差为（）（）（）（）（）算术平均值的标准差为 由算术平均值标准差作为测量重复性引起的标准不确定度分量为 ，自由度为。当取置信概率为，查 分布表得到（），包含（）因子，该温度下的测量结果的扩展不确定度为 。因此，该药条的燃速为 （），置信概率为，自由度。4030201000481216Times-/t0481216Times-/t86420Propellant heightmm-?/hInstantaneous burning ratemm s-/(/)vPropellant ALinear fitting of propellant A2 512 40 0780 9999=?.+?.，=?.htR25 310.0 497.Instantaneous burning rate of propellant A2 512 mm s=?./v（）（）图 药条 的 图与 图 年 月固体火箭技术第 卷 不同药条燃速测试结果本文同时利用蓝光阴影图像法和靶线法对 种不同配方的药条进行了燃速测试，图 为利用蓝光阴影图像法得到的 种药条 图。通过线性拟合处理可以获得图像法平均燃速，其结果与靶线法测试燃速结果对比见表。在对 根药条的燃速测试试验中，蓝光阴影图像法与靶线法燃速测量的最大偏差为。利用蓝光阴影图像法得到不同药条的实时燃速见图，各药条的实时燃速平均值及标准差见表。结合表、表 和图 可得，在所测的 种药条中，药条 和药条 的燃速明显高于其余 种药条，但其实时燃速的标准差较高，燃速波动较大，这也说明了燃速大的药条波动性相对会更大；药条、药条 和药条 的燃速较为接近，其中药条 的燃速最低，但其标准差最大，这说明药条燃烧的稳定性受配方影响。因此，利用蓝光阴影图像法得到的实时燃速更能反映药条燃烧过程中的稳定性，实时燃速和拟合燃速相结合，能够更好地评判药条的燃烧特性。403020100010203040Times-/tPropellant heightmm-?/hPropellant APropellant BPropellant CPropellant DPropellant EPropellant FLinear fitting of propellant ALinear fitting of propellant BLinear fitting of propellant CLinear fitting of propellant DLinear fitting of propellant E图 不同配方推进剂药条 图 表 拟合燃速与靶线法燃速相对偏差 表 实时燃速平均值与标准差 结论实时燃速的测量更能反映药条燃烧过程的稳定性，并且能够通过一次实验测量得到不同压力下的燃速，实时燃速的测量能够为推进剂配方、燃烧模型优化和燃烧机理等探究提供更为丰富的数据支撑。在实时燃速的测量中会受到各种因素的影响，本文针对直接成像中，固体推进剂药条图像燃速测量方法受药条燃烧自身火焰辐射光影响较大的问题，提出了蓝光阴影图像法测量固体推进剂实时燃速，并且比较了两种方法的成像效果；本文将蓝光阴影图像法的拟合燃速与靶线法得到的燃速进行比较，验证了该方法的稳定性，本文还测量了 种药条的实时燃速，分析了药条燃烧过程中稳定性的影响因素。通过以上研究，本文得到如下结论：（）蓝光阴影图像法是一种有效的实时燃速测量方法，可有效消除药条燃烧火焰自身辐射光对成像的影响，提高了燃面识别的精度，并降低了后期图像处理的难度；（）本文对某种药条在相同工况下进行了 次重复性实验，次测量结果重复性较高，证明了此方法具有较好的稳定性；（）本文对 种推进剂药条在常压下进行蓝光阴影图像法燃速测试，所得的拟合燃速与靶线法的燃速测试结果进行对比，相对偏差在 以内，说明该方法是一种可靠的非接触式燃速测量方法；（）对 种药条的实时燃速结果进行分析，一般情况下燃速高的药条实时燃速波动性会更大，对于燃速相近的药条，配方对其燃速的波动性有着较大的影响，这也说明了利用蓝光阴影图像法得到的实时燃速更能反映药条燃烧过程中的稳定性。此外，与靶线法相比，靶线法单次只能测某个恒定压强下的燃速，而蓝光阴影图像法可应用于变压条件下的燃速测量，这为 年 月胡海航，等：基于蓝光阴影图像法的固体推进剂药条燃速测量方法第 期推进剂配方、燃烧模型优化和燃烧机理等探究都提供了可靠的测试方法。86420Instantaneous burning ratemm s-/(/)v0481216Times-/tInstantaneous burning rate of propellant A2 522 mm s=?./v86420Instantaneous burning ratemm s-/(/)vInstantaneous burning rate of propellant B1 331 mm s=?.v/0481216202428Times-/t（）（）Instantaneous burning rate of propellant C0 997 mm s=?.v/Instantaneous burning rate of propellant D5 506 mm s=?.v/86420Instantaneous burning ratemm s-/(/)v0481216202428323640Times-/t181614121086420048Times-/tInstantaneous burning ratemm s-/(/)v（）（）Instantaneous burning rate of propellant E4 536 mm s=?.v/Instantaneous burning rate of propellant F1 348 mm s=?.v/181614121086420048Times-/t64200481016202428Instantaneous burning ratemm s-/(/)vInstantaneous burning ratemm s-/(/)vTimes-/t（）（）图 不同药条的实时燃速 参考文献：李葆萱，王克秀固体推进剂性能西安：西北工业大学出版社，刘继华火药物理化学性能北京：北京理工大学出版社，唐金兰，刘佩进，胡松启，等固体火箭发动机原理北京：国防工业出版社，裴庆，赵凤起，罗阳，等固体推进剂燃速测试技术研究进展火炸药学报，（）：，（）：阳洁，张鲁，张伟青嵌长金属丝药柱燃速测试方法研究上海航天，（）：，（）：张鹏金属燃料燃速与燃烧效率测试技术研究西安：西安电子科技大学，：，年 月固体火箭技术第 卷 ，：，（）：胡松启，李葆萱，李逢春，等密闭燃烧器法测高压下推进剂燃速研究含能材料，（）：，（）：刘华强，李葆萱，王瑜密闭燃烧器法固体推进剂燃速测试系统固体火箭技术，（）：，（）：，：王英红，李葆萱，牛嵩高，等含硼富燃料推进剂燃速测试计时系统的改进固体火箭技术，（）：，（）：石磊，王英红，陈宏杰，等多残渣富燃料推进剂燃速测试仪的改进固体火箭技术，（）：，（）：，（）：张劲民，刘科祥，蒲远远贫氧推进剂声发射燃速仪的研制固体火箭技术，（）：，（）：，：裴庆固体推进剂多靶线准动态燃速测试方法与测试系统研究西安：西安电子科技大学，：，裴庆，赵凤起，罗阳，等固体推进剂燃速测试技术研究进展火炸药学报，（）：，（）：孙得川，权恩，曹梦成超声波实时测量技术在固体火箭发动机中的应用兵工学报，（）：，（）：孙得川，万宏强固体推进剂燃速的超声波测量西安工业大学学报，（）：，（）：罗天佑超声波测量固体推进剂燃速的应用研究大连：大连理工大学，：，（）：，（）：，（）罗中平，刘桂生，孙志华数字图像技术在燃速测量中的应用西安工业学院学报，（）：，（）：余协正，叶迎华，沈瑞琪，等微细石英玻璃管中 的燃烧特性火工品，（）：，（）：，年 月胡海航，等：基于蓝光阴影图像法的固体推进剂药条燃速测量方法第 期 ，（）：，：，（）：，：，（）：蒋玉婷染色体倍数异常检测算法西安：西安电子科技大学，：，（编辑：吕耀辉）年 月固体火箭技术第 卷