[发明专利]一种大气吸收波段内发动机喷焰特性试验装置和试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发动机喷焰特性试验装置和试验方法，特别是一种大气吸收波段内发动机喷焰特性试验装置和试验方法，采用红外光谱仪与热像仪结合来测量发动机尾喷焰红外辐射数据的方法，适用于气吸收波段内发动机喷焰特性的试验，属于发动机特性试验领域。

背景技术

发动机喷焰的红外辐射特性是预警、监视等应用的关键基础数据。与目标表面辐射相比，发动机喷焰辐射存在较强的特殊性，研究难点主要体现在：一是发动机非完全燃烧形成的流场具有较强的不确定性，气凝两相耦合体同时存在着发射、散射、吸收等能级跃迁机制，流场形成与辐射传输机理异常复杂；二是发动机喷焰的辐射集中在2.7μm与4.3μm，属于强大气吸收波段，受大气中水汽与二氧化碳吸收影响，无法在地面远距离开展辐射测量试验，天基测量手段尚不具备，相关基础数据积累基本处于空白。

国内外主要以星载、球载以及机载测量方式为主，但试验成本与复杂性较大。期刊文章“Comparison of calculated and measured radiation from a rocket motor plume”(AIAA，2001年)尝试开展了4-5μm大气窗口宽波段内的液体发动机辐射特性测量，但无法获得4.3μm吸收带的数据；

期刊文章“固体火箭发动机喷流红外辐射实验及计算研究”(《宇航学报》，2008年01期)介绍了真空环境下的喷焰测量方案，在约90kPa和5kPa两个环境压力下，对缩尺火箭发动机燃烧室压力以及喷流的红外辐射强度进行了测量，由于真空环境无法对1:1大推力发动机进行测量，因此该方法具有局限性，无法应用于火箭主发动机的特性测量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种大气吸收波段内发动机喷焰特性试验装置和试验方法，采用近场光谱仪与远场热像仪相结合的发动机喷焰多维特征数据获取方法与数据处理方法，该方法充分压缩了辐射传输的路径长度，从而降低了大气对喷焰辐射的吸收，提高了有效信号强度，并通过动态数据实现高精度大气校正，提升了试验数据的精度。

本发明的技术解决方案是：一种大气吸收波段内发动机喷焰特性试验装置，包括：傅里叶光谱仪、高温定标黑体和红外热像仪；

试验前，高温定标黑体分别与傅里叶光谱仪和红外热像仪光学连接，完成对傅里叶光谱仪和红外热像仪的辐射定标；

被测发动机固定安装在发动机试车台上，傅里叶光谱仪、红外热像仪和被测发动机均位于发动机试车台平面内；

傅里叶光谱仪和被测发动机的机身位于被测发动机喷口的同侧，红外热像仪位于另一侧，其中傅里叶光谱仪与被测发动机喷口之间的距离为4～6m，红外热像仪与被测发动机喷口之间的距离大于40m；

傅里叶光谱仪的光轴和红外热像仪的光轴相交，且交点位于被测发动机喷口轴线的延长线上。

所述傅里叶光谱仪的光轴和红外热像仪的光轴的交点与喷口末端的距离为0.5～1m。

一种基于权利要求1中试验装置的试验方法，步骤如下：

(1)利用大气传输软件，计算被测环境大气透过率；

(2)根据傅里叶光谱仪与被测发动机的距离，选择傅里叶光谱仪的镜头，并确定傅里叶光谱仪和被测发动机喷口之间的连线与被测发动机机身轴线之间的夹角；

(3)根据红外热像仪的视场范围以及试验场地尺寸，确定红外热像仪的位置；

(4)根据预先给定的被测发动机的温度范围，利用高温定标黑体在预先给定的温度范围内对傅里叶光谱仪进行多点辐射定标；所述被测发动机的温度范围根据被测发动机的推力大小不同预先给定；

(5)分别对傅里叶光谱仪和红外热像仪进行瞄准，使得被测发动机的喷口轴线延长线上的预设点处于视场中心位置；

(6)统一傅里叶光谱仪和红外热像仪的时间标准，启动测试装置，被测发动机点火开始进行大气吸收波段内发动机喷焰特性试验，傅里叶光谱仪对被测发动机的辐射能量数据进行采集，红外热像仪对被测发动机的红外图像数据进行采集；

(7)对步骤(6)中的数据采集完成，利用傅里叶光谱仪采集的辐射能量数据、红外热像仪采集的红外图像数据和步骤(1)的大气透过率进行大气校正处理，具体为：