申 鵬，吳新躍

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

自由裝填增面藥柱燃燒規(guī)律射線成像技術研究

申 鵬，吳新躍

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

通過X射線高速實時成像技術（Real Time Radiography，RTR）對自由裝填增面藥柱（單根藥柱及多根藥柱）的燃燒規(guī)律進行了試驗研究，包括藥柱的不同燃面同時點燃特性、燃燒終止前藥柱結構狀態(tài)、自由裝填藥柱混合燃燒特性，并通過建立壓力與燃面幾何關系，得到燃速公式，與采用標準燃速測定方式測得的結果進行對比分析。試驗結果表明：該種方法用于測定藥柱燃速方法有效，對藥柱燃燒規(guī)律的研究具有重要意義。

自由裝填；增面藥柱；燃燒規(guī)律；X射線高速實時成像技術

0 引 言

增面藥柱是一類在燃燒過程中火藥的燃面逐漸增大的藥柱。常見的增面藥柱包括單孔側面-端面包覆管狀藥柱、側面開槽端面包覆管狀藥柱、側包多孔管狀藥柱等。在各類固體火箭發(fā)動機（如姿軌控火箭發(fā)動機、彈射動力裝置、點火發(fā)動機、底排彈）領域有廣泛的應用。增面燃燒藥柱多采用多根藥柱自由裝填的裝藥模式，藥柱穩(wěn)定燃燒時會受到初始燃面點燃一致性、混合燃燒等特性影響，并在燃燒終止前可能出現(xiàn)藥柱破碎現(xiàn)象，影響內彈道性能。因而明確自由裝填增面藥柱燃燒規(guī)律對該種藥柱的設計及使用具有重要意義[1～3]。

對藥柱燃燒規(guī)律認識最為直接的方式是試驗測試，而采用常規(guī)發(fā)動機測試方法（如燃燒室壓力、溫度測試）往往很難直觀、準確地判斷和掌握其燃燒及燃面變化規(guī)律。X射線高速實時成像技術（Real Time Radiography，RTR）是一種能有效研究不透明高壓燃燒室或發(fā)動機內藥柱燃燒及工作過程的非接觸式診斷技術，適用于發(fā)動機工作條件下固體推進劑的燃燒機理、裝藥燃燒規(guī)律研究。文獻[4]利用該技術研究了U型結構裝藥表面燃燒規(guī)律，并研究了石棉的丁腈橡膠炭化侵蝕率；文獻[5]通過該種方法對含有氫化硼添加劑的高燃速推進劑燃燒特性進行了研究，證明在高燃速下，無燃燒不正?，F(xiàn)象，沒有容積燃燒和藥柱破碎的情況，但都未對自由裝填增面燃燒形式的藥柱進行研究；文獻[6]研究含有鎂鋁金屬添加的富燃推進劑端面燃燒規(guī)律，證明了該種推進劑燃燒是符合端面平行推移規(guī)律，但都未對自由裝填多根藥柱的燃燒進行研究。

本文通過RTR對自由裝填增面藥柱（單根藥柱及多根藥柱）的燃燒規(guī)律進行了試驗研究，包括藥柱的不同燃面同時點燃特性、燃燒終止前藥柱結構狀態(tài)、自由裝填藥柱混合燃燒特性，并通過建立壓力與燃面幾何關系，得到了燃速公式，與采用標準燃速測定方式測得的結果進行了對比分析。試驗結果表明：該種方法用于測定藥柱燃速方法有效，對藥柱燃燒規(guī)律的研究具有重要意義。

1 RTR系統(tǒng)[1,2]

RTR系統(tǒng)的工作原理是利用X射線對不同密度介質的衰減量不同，反映出其照射路徑上介質厚度及密度的變化，從而用來研究發(fā)動機內裝藥的燃燒過程。

RTR系統(tǒng)主要由X射線源、試驗發(fā)動機、圖像增強器、高速攝像機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、發(fā)射控制系統(tǒng)等組成，見圖1。

系統(tǒng)的工作過程為：X射線源產生X射線，以一定頂角的圓錐體放射透過試驗發(fā)動機，而后被圖像增強器吸收屏接收后，將不同輻射強度分布的射線轉換成可見熒光圖像，并被架設于其后端的高速攝像機采集得到圖像，以數(shù)字形式存入記憶緩存區(qū)中，以便記錄分析和實時觀察[3]。

2 試驗過程

2.1 試驗件

試驗發(fā)動機具有2種裝藥狀態(tài)（見圖2），分別為3根裝藥（見圖2a）及單根裝藥（見圖2b）。試驗用藥柱為側壁開槽（6個槽）、中間留孔的柱狀藥柱，設計燃燒從中孔及側壁開槽處同時燃著，燃面推移速度方向相反。

2.2 試驗數(shù)據(jù)及圖像

利用高速攝影儀對2個狀態(tài)裝藥的發(fā)動機燃燒過程進行了拍攝，單根藥柱及3根藥柱裝藥試驗過程圖像分別如圖3、圖4所示。試驗捕捉到的X射線圖像完成，燃面邊界清晰，可以真實地反映藥柱燃燒過程。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理

對采集到的X射線圖像進行圖像處理與數(shù)據(jù)讀取，以侵蝕燃燒影響小，燃燒相對穩(wěn)定的藥柱內孔直徑d作為燃速分析參數(shù)，得到肉厚-時間曲線及肉厚-壓力曲線。燃速r采用直徑d的導數(shù)表示，并且假定燃速符合維里方程（式（1））。對燃速-壓力數(shù)據(jù)進行處理，存在離散的m組標定點數(shù)據(jù)，則有Q對lna與n的偏導數(shù)為0，解算得到式（3），進而求解得到壓力指數(shù)n與燃速系數(shù)a的表達式（4），式（5）是由壓力指數(shù)n與燃速系數(shù)a積分的形式表達[7,8]。

式中 r為燃速；a為燃速系數(shù)；p為燃燒室壓力；P為壓強指數(shù)；n為壓力指數(shù)；m為數(shù)據(jù)采集點數(shù)；t1，t2分別為計算域的初始時間和終止時間。

3 試驗結果分析

3.1 燃面的點燃一致性分析

燃面的點燃一致性是指藥柱的初始燃面被點火藥同時點燃的特性，一致性越高，藥柱燃面推移燃燒越符合設計狀態(tài)，燃燒室內彈道也越符合設計情況。試驗對中心及側邊偏置兩種點火藥包空間布置狀態(tài)藥柱燃燒進行了拍攝，側邊偏置結果如圖3b所示，其中點火藥包位于圖像左上角，圖3b中未標示出。試驗結果顯示：距離點火藥包近及朝向藥包方向的燃面最先被點燃；距離較遠且背向藥包的燃面最后被點燃。以上得到的結論符合固體推進劑的點火理論。此外，試驗測得藥包側邊偏置狀態(tài)燃面點燃時間差（最后被點燃的燃面與最先被點燃的燃面時間差）達到藥柱整個工作時長的1/10，其點火時間差已不能忽略。

3.2 燃燒終止前藥柱結構完整性分析

對于外壁面及內孔同時燃燒的增面藥柱，在燃燒終止前藥柱截面變小，粘連面積變小，在燃氣流的作用下可能發(fā)生斷藥，破壞藥柱燃燒過程的結構完整性。而通過試驗觀測結果可見，藥柱燃燒終止前，出現(xiàn)了三角形藥塊，并逐漸減小，但位置未發(fā)生變化，與設計狀態(tài)保持一致，驗證了在燃燒終止前藥柱結構未遭破壞。

3.3 燃速特性

采用X射線實時成像方法對某次單根藥柱及3根藥柱的燃燒過程進行了拍攝記錄，結合壓力數(shù)據(jù)進行處理，擬合得到了燃速公式。具體如下：

a）單根藥柱燃燒。

測量得到的單根藥柱內孔直徑d與時間t曲線如圖5所示。

通過式（1）計算得到的單根藥柱燃速-時間曲線如圖6所示。

對應得到單根藥柱燃速-壓強曲線如圖7所示。

通過式（5）計算得到燃速系數(shù)及壓強指數(shù)，得到燃速擬合公式：

該結果與藥劑采取標準水下聲發(fā)射法測得的壓力指數(shù)數(shù)據(jù)n=0.3～0.4基本一致。

b）3根藥柱燃燒。

測量得到的3根藥柱內徑-時間曲線如圖8所示。圖8中曲線分別對應圖2a的安裝位置（下同）。測試結果可見內孔直徑變化規(guī)律差異較小，燃燒穩(wěn)定，受到燃燒室內氣流影響較小，可用于燃速的評定。

計算得到的3根藥柱燃速-時間曲線如圖9所示。

3根藥柱燃速-壓強曲線如圖10所示。

通過擬合r-P曲線得到試驗燃速和壓強的擬合公式：

該結果與藥劑采取標準水下聲發(fā)射法測得的壓力指數(shù)數(shù)據(jù)n=0.3～0.4基本一致，證明了該種方法用于測定藥柱燃速的正確性。但計算得到的壓力指數(shù)數(shù)據(jù)也存在一定的差異。經(jīng)分析，該差異主要由燃面界面辨識誤差造成。

4 結 論

通過以上試驗及分析可得到如下結論：

a）成功開展了增面自由裝填藥柱燃燒燃面推移規(guī)律的X射線成像試驗，圖像數(shù)據(jù)采集完整，證明了試驗方法及試驗工裝設計的正確性，以及采用此種方法研究自由裝填藥柱燃燒的可行性。

b）對藥柱的燃燒圖像分析得到不同在點火藥包，各藥柱燃面的點燃時間存在差異，藥包中心布置比側邊偏置點燃一致性好。側邊偏置點燃時間差達到藥柱整個工作時長的1/10。在藥柱燃燒終止前，三角形藥塊圖像清晰可辨，與設計狀態(tài)圖像保持一致，驗證了在燃燒終止前藥柱結構未發(fā)生破壞。

c）建立了燃燒室壓力與藥柱燃面位移之間的關系，推導得到用于積分計算燃速系數(shù)及壓力指數(shù)的公式，擬合得到燃速公式，與藥劑采用標準水下聲發(fā)射法測得的壓力指數(shù)數(shù)據(jù)基本一致，驗證了該種方法用于測定藥柱燃速的可行性。

d）燃面界面辨識誤差是造成燃速擬合值差異的主要原因。

[1] 李昭月. 基于X射線實時成像系統(tǒng)圖像處理與缺陷識別的研究[D]. 沈陽: 東北大學, 2008.

[2] 楊智. X射線實時成像檢測系統(tǒng)的研究[D]. 長春: 長春理工大學, 2011.

[3] 石振峰. 射線實時成像檢測技術在固體發(fā)動機裝藥[D]. 洛陽: 航空工業(yè)總公司014中心, 1997.

[4] 賀國強, 肖育民, 蔡體敏, 等. 固體推進劑燃氣發(fā)生器燃燒規(guī)律內視研究[J]. 航空兵器, 1997(2): 30-34.

[5] 彭澤鄉(xiāng), 侯學程. 利用實時X射線照相系統(tǒng)對高燃速推進劑燃燒特性的研究[J]. 彈箭技術, 1994(1): 33-42.

[6] 張國宏, 孫振華, 劉佩進. 富燃料推進劑端面燃燒規(guī)律的X射線診斷研究[J]. 彈箭與制導學報, 2008(28): 139-142.

[7] 李宜敏, 張中欽, 張遠君. 固體火箭發(fā)動機原理[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1991.

[8] 龐愛民. 固體火箭推進劑理論與工程[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2014.

Research on Burning Law of Free Loading and Inceasing Burning Area Grain by Real Time Radiography Technology

Shen Peng, Wu Xin-yue
(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The combustion law of free loading grain in gas generator is studied by using of RTR (Real Time Radiography) technology. The research content included the ignition character if burning surface, grain structural integrity before end of burning, and the mixing burning character of free loading grain. The relationship between pressure and burning surface and burning rate equation has been obtained. The difference of burning rate measurement result between RTR technology and standard measure method also has been analyzed. The experimental shows that RTR technology is effective on burning rate measurement, and it is useful for researching combustion law of grain.

Free loading propellant; Increasing burning area propellant; Burning law; Real time radio graphy technology

TJ768

A

1004-7182(2017)03-0080-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170317

2016-05-15；

2017-02-13

申 鵬（1987-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)射裝備及應用技術