一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法及装置

本发明涉及固体推进剂燃烧，特别是涉及一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法及装置。

背景技术：

1、导弹在飞行过程中，弹身与空气的相互作用会导致导弹的振动，当导弹在加速、高过载以及姿控等阶段时都会产生不同程度的振动，弹身的振动会传递给固体火箭发动机。同时，固体火箭发动机在工作过程中自身也可能会产生振动，例如工作中产生的碎片通过喉部等情况时，因此固体火箭发动机在工作过程中总是伴随着振动。

2、振动会使固体推进剂周期性的往复运动，在这个过程中推进剂火焰热反馈和推进剂颗粒燃烧过程都会由于振动的作用而发生不同程度的改变，进而会导致燃烧不稳定的发生，在某些情况下振动会严重影响固体火箭发动机的工作，造成内弹道的改变，甚至可能会导致固体火箭发动机的爆炸，所以有必要研究振动对固体推进剂燃烧的影响机理。但是现有技术中研究振动对固体推进剂燃烧的影响机理甚少，缺乏振动对固体推进剂燃烧的影响分析方法。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法及装置，能够获取固体推进剂振动燃烧响应函数以对固体推进剂在振动条件下的燃烧响应特性进行研究。

2、第一方面，本发明提供了一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法，振动燃烧响应函数的计算式为

3、

4、式中，ra(f)表示振动频率为f时的固体推进剂振动燃烧响应函数的值，v′表示推进剂燃速的波动量，v表示推进剂在振动条件下的平均燃速，为推进剂无振动时的平均燃速，x′为振动的位移波动量，表示推进剂无振动时的平衡位置，的值定义为1个单位位移量。

5、在其中一个实施例中，固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法包括：

6、获取振动条件下的固体推进剂动态燃烧图像和振动检测器运动图像；

7、对固体推进剂动态燃烧图像的每一帧图像均进行图像处理获得推进剂燃面高度随时间变化的图像；

8、对振动检测器运动图像的每一帧图像均进行图像处理获得检测器运动面高度随时间变化的图像；

9、根据检测器运动面高度随时间变化的图像获得振动的位移波动量；

10、根据推进剂燃面高度随时间变化的图像确定推进剂在振动条件下的平均燃速；

11、获取推进剂在无振动时的平均燃速；

12、基于振动燃烧响应函数的计算式、振动的位移波动量、推进剂在振动条件下的平均燃速以及推进剂在无振动时的平均燃速计算出振动燃烧响应函数。

13、在其中一个实施例中，对固体推进剂动态燃烧图像的每一帧图像均进行图像处理获得推进剂燃面高度随时间变化的图像包括：

14、横向截取每时刻固体推进剂动态燃烧图像，对截取的动态燃烧图像均进行二值化和腐蚀膨胀处理获得每时刻连续的推进剂燃面边界图像；

15、计算每时刻推进剂燃面边界图像中各像素点高度的平均值作为每时刻推进剂燃面高度；

16、根据每个时刻的推进剂燃面高度绘制出推进剂燃面高度随时间变化的图像。

17、在其中一个实施例中，对振动检测器运动图像的每一帧图像均进行图像处理获得检测器运动面高度随时间变化的图像包括：

18、横向截取每时刻振动检测器运动图像，对截取的振动检测器运动均进行二值化和腐蚀膨胀处理获得每时刻连续的检测器运动面边界图像；

19、计算每时刻检测器运动面边界图像中各像素点高度的平均值作为每时刻检测器运动面高度；

20、根据每个时刻的检测器运动面高度绘制出检测器运动面高度随时间变化的图像。

21、在其中一个实施例中，根据检测器运动面高度随时间变化的图像获得振动的位移波动量包括：

22、对检测器运动面高度随时间变化的图像进行fft带通滤波处理；

23、对fft带通滤波处理后的检测器运动面高度随时间变化的图像进行平滑处理，其中，平滑处理为使用相邻平均法计算振动平衡位置的高度；

24、使用fft带通滤波处理后的检测器运动面高度随时间变化的图像数据减去平滑处理后的图像数据获得振动以0为平衡位置的振动数据曲线；

25、基于振动曲线获得上下包络线，并计算上下包络线各自的平均高度；

26、使用上包络线的平均高度减去下包络线的平均高度，获得振动的位移波动量。

27、在其中一个实施例中，根据推进剂燃面高度随时间变化的图像确定推进剂在振动条件下的平均燃速包括：

28、用同时刻推进剂燃面位移减去振动检测器的位移，获得推进剂自身燃烧的燃面高度退移量随时间的变化图像；

29、对推进剂自身燃烧的燃面高度退移量随时间的变化图像进行平滑处理，获得光滑曲线；

30、对光滑曲线进行拟合，确定光滑曲线拟合得到的直线斜率的绝对值为推进剂在振动条件下的平均燃速。

31、第二方面，本发明还提供了一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量装置。装置包括激振系统、振动燃烧支架、光学测量系统和处理模块；

32、激振系统设置有函数发生器、功率控制器和激振器，功率控制器电连接于函数发生器和激振器中间；

33、振动燃烧支架由推进剂夹持部和振动检测器组成，推进剂夹持部固定连接于激振器的振动台面，振动检测器为刚性薄片，振动检测器与推进剂夹持部夹持的推进剂药条位于同一平面；

34、光学测量系统包括激光器、高速相机、滤光片、长焦微距镜头、高速相机和采集模块，激光器的激光穿过推进剂药条和振动检测器后进入长焦微距镜头，滤光片设置于长焦微距镜头位于振动检测器的一侧，长焦微距镜头与高速相机连接，采集系统与高速相机电连接；

35、处理模块与光学测量系统电连接，用于处理光学测量系统获得的图像数据并计算固体推进剂振动燃烧响应函数的值。

36、在其中一个实施例中，激光器为532nm激光器，滤光片为532nm滤光片。

37、本发明的有益效果是：

38、(1)本发明通过固体推进剂振动燃烧响应函数来表征振动条件下固体推进剂的燃烧响应，可以实现定量分析振动对固体推进剂燃烧的影响作用。

39、(2)本发明在振动条件下对推进剂图像进行处理，可以准确的获取推进剂的燃速变化，从而得到推进剂的振动燃烧响应。

40、(3)本发明采用背光阴影法对推进剂燃烧过程进行拍摄，可以过滤掉推进剂自发光的干扰，同时激光作为背光光源得到的推进剂燃面，轮廓更加清楚，可以提高光学测量系统对燃面波动的分辨率。

技术特征：

1.一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法，其特征在于，所述振动燃烧响应函数的计算式为

2.根据权利要求1所述的固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法，其特征在于，所述方法包括：

3.根据权利要求2所述的固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法，其特征在于，对所述固体推进剂动态燃烧图像的每一帧图像均进行图像处理获得推进剂燃面高度随时间变化的图像包括：

4.根据权利要求2所述的固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法，其特征在于，对所述振动检测器运动图像的每一帧图像均进行图像处理获得检测器运动面高度随时间变化的图像包括：

5.根据权利要求3或4任意一项所述的固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法，其特征在于，根据所述检测器运动面高度随时间变化的图像获得振动的位移波动量包括：

6.根据权利要求5所述的固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法，其特征在于，根据所述推进剂燃面高度随时间变化的图像确定推进剂在振动条件下的平均燃速包括：

7.一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量装置，其特征在于，所述装置包括激振系统、振动燃烧支架、光学测量系统和处理模块；

8.根据权利要求7所述的固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量装置，其特征在于，所述激光器(6)为532nm激光器，所述滤光片(8)为532nm滤光片。

技术总结
本发明涉及一种固体推进剂振动燃烧响应函数的光学测量方法及装置，通过固体推进剂振动燃烧响应函数来表征振动条件下固体推进剂的燃烧响应，首先通过固体推进剂振动燃烧响应函数实验系统得到推进剂振动条件下的动态燃烧图像，接着通过所建立的图像处理方法得出振动条件下推进剂的燃烧响应函数。本发明能够实现定量分析振动对固体推进剂燃烧的影响作用。

技术研发人员：金秉宁,邓智仁,杨思颖,李嘉城,刘佩进
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22