任泌青 仇士勝 程博 張翠萍 高偉

【摘要】 本文介紹了紅外熱像儀測溫法、CCD圖像傳感器測溫法、多光譜測溫法等輻射測溫法在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度測試中的應(yīng)用，并討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰 紅外熱像儀 CCD 多光譜

一、引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰是一種高溫、高壓、高速的兩相流，其尾焰溫度及其分布的測量，在型號研制試驗(yàn)過程中，具有十分重要的基礎(chǔ)意義。對于研究固體推進(jìn)劑的燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場的特性，以及對于應(yīng)用高能固體推進(jìn)劑、研究低特征固體推進(jìn)劑具有重要意義[1]。另外，導(dǎo)彈武器的隱身技術(shù)和突防能力也要求對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度、尾焰溫度場和紅外熱輻射等特征有所了解。

二、紅外熱像儀測溫技術(shù)

紅外熱像儀測溫技術(shù)是當(dāng)今迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一，現(xiàn)已在軍事、工程、民用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。紅外熱像儀測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是普朗克定律，所用波長主要集中在紅外光0.76μm～1000μm，是通過非接觸來探測紅外能量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值[2]，還可對發(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識別和嚴(yán)格分析。紅外熱像儀測溫技術(shù)是窄譜輻射成像測量技術(shù)，影響因素較多，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度測試中，大氣吸收、太陽光是影響尾焰溫度測試精度的主要因素，但尾焰發(fā)射率是影響紅外熱像儀測溫精度的最大不確定因素。由于紅外熱像儀自身的不足，所獲得的圖像是表征景物溫度場的分布，是灰度圖像，分辨率低，視覺效果差，清晰度低于可見光圖像；紅外圖像的信噪比比普通圖像低，探測單元的響應(yīng)特性不一致。在對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度進(jìn)行現(xiàn)場測試時(shí)，適合尾焰溫度變化趨勢的測試，更適合于測量發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管及前后封頭溫度的變化情況及變化趨勢的測量，有助于在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)殼體燒穿、爆炸等事故的技術(shù)歸零。

三、CCD測溫技術(shù)

① CCD單色測溫法。單色測溫法是利用單一波長光線的輻射能量與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行測溫[4]。這種方法需在很窄的波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致探測器接收的能量太小而無法產(chǎn)生足夠的響應(yīng)，并且未知發(fā)射率的變化帶來很大誤差。由于尾焰所發(fā)射的光波單色性較差，在工程應(yīng)用中受到很多限制。但利用黑體爐標(biāo)定，并對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，利用擬合曲線對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來獲得尾焰溫度的方法，在尾焰溫度測試工程應(yīng)用中取得了良好試驗(yàn)效果，但測溫精度相對較低。

② CCD比色測溫法。根據(jù)熱輻射物體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長的光譜輻射亮度之比與溫度之間的函數(shù)關(guān)系來測量溫度的方法[4]。在利用CCD比色測溫法對為尾焰溫度進(jìn)行測試時(shí)，可減小由尾焰發(fā)射率變化帶來的測溫誤差，相對于單色測溫法測量精度有所提高，但測溫范圍較窄，適用性不強(qiáng)。

③ CCD三基色測溫法。三基色測溫法是利用CCD攝像機(jī)輸出的紅、綠、藍(lán)三個(gè)等效波長的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到被測物體的輻射溫度。利用三基色測溫法對尾焰溫度進(jìn)行測量時(shí)，與CCD比色測溫法相比，可以進(jìn)一步減小由尾焰的發(fā)射率變化帶來的測溫誤差，但測溫范圍變得更窄。

四、多光譜輻射測溫技術(shù)

在測量固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度時(shí)，無論是使用紅外熱像儀測溫技術(shù)還是CCD測溫技術(shù)，測得的不是尾焰的真實(shí)溫度，只是分別為亮度溫度或輻射溫度等。要想獲得固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的真實(shí)溫度，必須知道尾焰的發(fā)射率（黑度系數(shù)），才可求得尾焰的真實(shí)溫度。多光譜輻射測溫法，即在一個(gè)儀器中制成多個(gè)光譜通道，利用多個(gè)光譜的物體輻射亮度的測量信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理而得到物體的溫度和材料光譜發(fā)射率，也可同時(shí)測量目標(biāo)真實(shí)溫度及材料光譜發(fā)射率的非接觸測溫方法，也可作為多參數(shù)動(dòng)態(tài)熱物性測試的重要儀器，用以測量試樣的發(fā)射率、熔點(diǎn)、比熱和熱膨脹等[5]。多光譜輻射測溫法不需要任何輔助設(shè)備和附加信息，對被測對象也無特殊要求，因而特別適合尾焰溫度的真溫及發(fā)射率的同時(shí)測量，盡管目前其理論還不夠完善，但在工程應(yīng)用中已表現(xiàn)出了極好的發(fā)展前景，且測溫精度相對較高。但采用多光譜輻射測溫法對尾焰溫度進(jìn)行測量時(shí)，輻射溫度儀標(biāo)定技術(shù)的好壞直接影響測溫精度。

五、結(jié)束語

在利用輻射測溫法對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度進(jìn)行測試時(shí)，從單波長逐步向多波長發(fā)展，測溫精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性都在不斷提高，測溫范圍也在不斷延伸。在今后的工程應(yīng)用中，可利用接觸式測溫法對非接觸測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，來減小尾焰發(fā)射率和現(xiàn)場環(huán)境對測溫精度的影響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]賀博、龔曉紅、林輝、葉玉春.紅外熱像儀在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽焰測溫中的應(yīng)用[J].固體火箭技術(shù)，2005，28（2）.

[2]李翔、張亮. CCD技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場測試中的應(yīng)用研究[J].航空兵器，2012（2）：33-36.

[3]張光喜、周為民、張鋼錘、南寶江.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰流場特性研究 [J].固體火箭技術(shù)，2008，31（1）：19-23.

[4]張亮. 基于 CCD 圖像傳感器的溫度測量技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文， 2008.

[5]戴景民. 多光譜輻射測溫技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文， 1995.