一种用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列的制作方法

1.本发明涉及光纤光栅技术领域，具体为一种用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列。


背景技术：

2.固体火箭发动机是一种使用固体推进剂作为动力源的化学火箭发动机，广泛用于各类火箭和导弹、航天航空、气象观测等领域。固体推进剂作为固定火箭发动机的重要组成部分，其退移过程直接影响发动机内弹道性能参数的预测精度。因此，实现固体推进剂燃面退移过程的定量化测量，可以有效提高发动机内弹道的预测精度，对发动机的设计有着极大的现实意义和使用价值。
3.然而，随着对燃面退移过程定量化测量计算精度要求的提高，传统用于燃面退移过程定量化测量方法的计算机模拟仿真，由于无法模拟固体火箭发动机燃烧时发动机的真实燃烧状态，导致数据的可信度不高，使得计算机模拟仿真的方法已经不能满足当前固定火箭发动机的测试需求。此外，用于燃面退移过程定量化测量方法的另一传统方法是发动机的实际测试，然而传统的发动机实际测试大多采用经典理论，设置一定的温度与压强，在此条件下获得已知长度的固体推进剂药条的燃烧时间，通过长度除以时间求出燃面退移过程中推进剂的燃烧速度，但是该方法只能反映固体推进剂局部区域燃速的变化情况，无法表征整个燃面的变化情况，而且发动机实际测试法对原材料的消耗很大，测试的周期较长，存在测试精度低、试验成本高的缺点；鉴于此，我们提出了一种用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列，解决了上述背景技术提到的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列，包括光纤光栅，所述光纤光栅通过光纤纤芯内锗离子和外界入射光子互相作用的方法在纤芯中形成相位光栅，在所述光栅的一端发射光信号，会在这个端口输出反射信号，在另一个端口上输出透射信号。
8.可选的，所述发射光信号的宽带光通过fgb时，反射的知识某波长的光，该波长成为bragg波长或fbg的中心波长，所述fbg的中心波长的表达式如下：
9.λb＝2n
eff
λ。
10.可选的，所述表达式中n
eff
为有效折射率，λ为光栅周期。
11.一种如上述的用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列的监测方法，所述监测方法包括以下步骤：
12.s1、对光纤光栅进行了高密度并联处理，采用多栅并联的方式进行光纤光栅分布，并在光纤光栅上涂刷紫外固化软胶，对光纤光栅进行固化，同一个轴向上的高密度分布；
13.s2、对光纤光栅的布置方式进行了矩阵化设计，通过检测横、纵位置的光纤熔断情况，得到准确燃面变化情况；
14.s3、对光栅的布置方式进行螺旋状针对性设计，针对性设计采用螺旋式安装的方式。
15.可选的，所述s1进一步的包括：其中光纤光栅的栅区长度约10mm，相邻间隔不小于20mm。
16.可选的，所述s3进一步的包括：将光栅测量的轴向测量分辨率(≥10mm)转换为径向测量分辨率(小于等于0.25mm)，并对燃面变化进行高分辨率测量。
17.(三)有益效果
18.本发明提供了一种用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列。具备以下有益效果：
19.(1)、该用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列，相比现有的间接式测量方法，本发明充分发挥了光纤光栅传感器结构简单易集成的优点，通过创造性的错位并纤、矩阵式编织和螺旋式布置，可以实现固体火箭发动机燃面推移的直接精确测量，为发动机内弹道的设计提供了有力的数据支撑。
20.(2)、该用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列，利用高密度编织的光纤光栅矩阵，采用螺旋式安装方式，在发动机药柱浇筑过程中同步内埋。发动机工作时，通过光纤光栅解调仪来检测光栅的熔断情况，即可绘制发动机内部燃面的推移情况，在不改变固体火箭发动机药柱强度、燃烧特性的前提下，实现固体火箭发动机燃面推移的精确测量，为准确估计发动机内弹道特性提供直接测量数据。
附图说明
21.图1为本发明光纤光栅的结构示意图；
22.图2为本发明光纤光栅的光谱特性的示意图；
23.图3为本发明光纤光栅多栅并联的结构示意图；
24.图4为本发明光纤光栅矩阵并联结构示意图；
25.图5为本发明固体火箭发动机的结构示意图；
26.图6为本发明光纤光栅螺旋状分布的结构示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1-图6，本发明提供一种技术方案：一种用于固体火箭发动机燃面退移监测的光纤光栅阵列，光纤光栅是利用光纤纤芯内锗离子和外界入射光子互相作用的方法在纤芯中形成相位光栅，如图1所示；
29.在光栅的一端发射光信号，会在这个端口输出反射信号，在另一个端口上输出透射信号，如图2所示。当宽带光通过fbg时，反射的只是某波长的光，该波长成为bragg波长或fbg的中心波长，可用下式来表示：
30.λb＝2n
eff
λ
31.式中n
eff
为有效折射率，λ为光栅周期。其中，图2能够展示了光纤光栅的光谱特性。
32.本实施例中，当外界温度或应变变化时，光纤光栅的中心波长会发生相应的变化，通过测量该变化，即可得知外界的温度值或者应变值，即通过观察反射光谱是否存在，来监测固体火箭发动机内部燃面的推移情况。
33.s1、对光纤光栅进行了高密度并联处理，具体如图3所示，由于光纤光栅刻写工艺的限制，典型光纤光栅的栅区长度约10mm，相邻间隔不小于20mm，20mm是两个光栅的长度，因此，在实施过程中，为了能够提高光纤光栅的测量密度，采用多栅并联的方式进行光纤光栅分布，并在光纤光栅上涂刷紫外固化软胶，对光纤光栅进行固化，从而能够保证在同一个轴向上的高密度分布；
34.s2、为准确得到燃面的位置，对光纤光栅的布置方式进行了矩阵化设计，如4图所示，通过检测横、纵位置的光纤熔断情况，即可得到准确燃面变化情况；
35.s3、针对固体火箭发动机的特点，如图5所示，发动机药柱呈圆柱状，需要对光栅的布置方式进行螺旋状的针对性设计，针对性设计采用螺旋式安装的方式，其中，利用高密度编织的光纤光栅矩阵，采用螺旋式安装方式，在发动机药柱浇筑过程中同步内埋。发动机工作时，通过光纤光栅解调仪来检测光栅的熔断情况，即可绘制发动机内部燃面的推移情况，在不改变固体火箭发动机药柱强度、燃烧特性的前提下，实现固体火箭发动机燃面推移的精确测量，为准确估计发动机内弹道特性提供直接测量数据，如图5所示，由于发动机药柱是从内向外逐层燃烧，这种螺旋式的安装方式，可以将光栅测量的轴向测量分辨率(≥10mm)转换为径向测量分辨率(≤0.25mm)，实现燃面变化的高分辨率测量。
36.在本实施例中，充分发挥了光纤光栅传感器结构简单易集成的优点，通过创造性的错位并纤、矩阵式编织和螺旋式布置，可以实现固体火箭发动机燃面推移的直接精确测量，为发动机内弹道的设计提供了有力的数据支撑。
37.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。