技术领域
[0001] 本
发明涉及航天装备的
燃料领域，具体为一种测量自然推进剂液相点火延迟的装置及测量方法。
背景技术
[0002] 近年来，新型的自燃推进剂逐渐引起广泛研究，它主要应用于弹道导弹和大多数
航天器，包括载人
飞行器，行星探测器和卫星等，是国家国防和科技实
力的重要体现。但是，双基自燃型推进剂的燃料与
氧化剂组合种类繁多，需要进行
基础燃烧实验确定基本的燃烧参数从而探究是否可以作为推进剂使用。
[0003] 其中，自燃点火延迟时间是一项评价推进剂性能的重要参数，对喷射的设计、起动顺序等都起着至关重要的作用。点火延迟是指燃料与
氧化剂从
接触到出现火焰核心之间的时间，它包括
流体液相混合、热传递和当地环境条件的一个函数。在不同的碰撞速度、不同的体积、
温度、压力等环境条件下，点火延迟时间也是不同的。过长的点火延迟时间(>10mm)会导致
推进器的硬启动问题，该燃料与氧化剂组合无法作为推进剂使用。不同的双基推进剂组合，因此，自燃推进剂的点火延迟时间的准确测量是进行新型自燃推进剂基础研究的重点之一。
[0004] 目前科研实验中测量自燃点火延迟时间的方法主要是光电
二极管，但是这种方法同步
精度较差，响应速度较慢，装置更为复杂。
发明内容
[0005] 针对
现有技术中存在的问题，本发明提供一种测量自然推进剂液相点火延迟的装置及测量方法，利用高速摄影技术对燃料和氧化剂组合进行自燃现象的观测以及点火延迟时间的测量，该测量系统安全、简单快捷、经济性好并且精度高。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种测量自然推进剂液相点火延迟的装置，包括位移台、上位机、驱动装置、氧化剂液池、用于输出燃料的液滴发生器、用于拍摄点火过程微观图像的第一相机和用于拍摄点火过程宏观图像的第二相机；
[0008] 其中，驱动装置与液滴发生器连接，用于使液滴发生器进行滴液，液滴发生器设置在位移台上，氧化剂液池位于液滴发生器的下方，第一相机和第二相机均与上位机连接，第一相机和第二相机将采集的图像传送至上位机，上位机用于根据采集的图像输出点火延迟时间。
[0009] 优选的，所述驱动装置包括压电振子和
驱动器，压电振子设置在液滴发生器上，驱动器与压电振子连接。
[0010] 优选的，第一相机和第二相机均活动设置在
支架上，采用俯
角分别拍摄点火过程的宏观图像和微观图像。
[0011] 优选的，所述俯角为15°。
[0012] 优选的，所述第一相机为配有长焦
显微镜的Phantom V611高速摄像机，第二相机为Phantom V1高速摄像机。
[0013] 优选的，所述第一相机和第二相机均采用10,000fps的
帧频拍摄点火过程的图像。
[0014] 优选的，还包括用于补光的散射
光源和
背光源；散射光源和背光源分别照射氧化剂液池。
[0015] 优选的，所述上位机输出点火延迟时间τ的具体方法为：
[0016]
[0017] 其中，N0为燃料初次接触氧化剂时对应图像的帧数，Ni为初次出现火焰时对应图像的帧数，Δt为每帧的时间间隔。
[0018] 本发明还提供了一种测量自然推进剂液相点火延迟的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0019] 步骤1，在滴液发生器中注入燃料，设定第一相机和第二相机的拍摄参设；
[0020] 步骤2，启动驱动装置，滴液发生器中的燃料滴入氧化剂液池中；
[0021] 步骤3，第一相机拍摄燃料与氧化剂接触至点火时段的微观图像，第二相机拍摄燃料与氧化剂接触至点火时段的宏观图像，第一相机和第二相机拍摄的图像传送至上位机；
[0022] 步骤4，上位机输出点火延迟时间τ，公式如下；
[0023]
[0024] 其中，N0为燃料初次接触氧化剂时对应图像的帧数，Ni为初次出现火焰时对应图像的帧数，Δt为每帧的时间间隔。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0026] 本发明提供了一种测量自然推进剂液相点火延迟的装置，采用驱动装置驱动液滴发生器，将燃料滴入氧化剂液池中，同时第一相机和第二相机采集燃料与氧化剂接触至点火过程中的宏观图像和微观图像并传送至上位机，上位机根据采集的图像输出点火延迟的时间。由于微观图像将实际画面大小放大4倍，因此可以更加清楚地分辨最初出现火焰的时刻，对于点火延迟时间较短的燃料，可以大大提高点火延迟时间测量的精度。同时宏观图像能够完整的记录整个反应区域全部空间
位置的图像，对于一些点火延迟时间长导致的火焰出现位置不确定的燃料，依靠该宏观
图像分析点火延迟时间更加准确。该装置能够对不同的燃料和氧化剂的点火延迟时间进行测量，安全简便，易于操作，并且提高了点火延迟时间测量的精度。
[0027] 本发明提供了的测量自然推进剂液相点火延迟的方法，采用两台摄像机记录燃料与氧化剂的反应现象，然后通过上位机分析出燃料初次接触氧化剂时对应图像的帧数和初次出现火焰时对应图像的帧数，计算得出点火延迟的时间，该方法操作简单，可以精确记录自着火反应现象并且准确得到自燃点火延迟时间。
附图说明
[0028] 图1为本发明测量系统的结构示意图
[0029] 图中：1-多维位移台，2-液滴发生器，3-储液瓶，4-驱动器，5-氧化剂液池，6-第一相机，7-第二相机，8-背光源，9-散射光源，9、10-上位机。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0031] 如图1所示，一种自燃点火延迟时间的测量系统，包括储液瓶3，驱动器4、氧化剂液池5，液滴发生器2，第一相机6，第二相机7，散射光源9，背光源8、上位机10和位移台1。
[0032] 其中，液滴发生器2安装在位移台1的
水平支架上，液滴发生器2上还设置有压电振子，压电振子和驱动器4连接，驱动器发出脉冲
信号作用到压电振子上，使其产生相应位移从而驱动液滴发生器2内燃料液体从
喷嘴滴出。
[0033] 氧化剂液池5位于液滴发生器2的正下方，保证液滴发生器2滴出的燃料能够滴落至氧化剂液池5中，氧化剂液池5直径为100mm，深度为20mm；第一相机6为配有长焦显微镜的Phantom V611高速摄像机，第一相机6安装在支架上以15°的俯角采用10,000fps的帧频拍摄燃料与氧化剂接触到起火的微观图像，第二相机7为Phantom V1高速摄像机7，第二相机7安装在支架上以15°的俯角采用10,000fps的帧频拍摄燃料液滴与氧化剂接触到起火的宏观图像；第一相机6和第二相机7分别与上位机10连接，用于读取并分析采集的图像。
[0034] 驱动器4发出脉冲信号作用到压电振子上，使压电振子产生相应位移从而驱动液滴发生器内燃料液体从喷嘴喷出。其中，驱动器产生的脉冲信号是周期性的，其幅值、
频率、延迟时间和占空比均可调，产生所需参数的液滴。实验前首先将储液瓶3中的燃料液体通过供液管道注入到液滴发生器2的腔室内部，然后去除供液管道及液滴发生器腔室内部的气体，并调节储液瓶3的位置，使得液滴发生器2的喷嘴口高于储液瓶3的液面。
[0035] 液滴发生器2为医用
注射器，能够根据不同型号的注射器调节滴落液滴的直径，优选，配有No.26针管(外径为0.45mm)的医用注射器，压电振子与注射器的
活塞连接。同时通过调节多维位移台1的水平支架高度调节液滴发生器2与氧化剂液池4的高度。
[0036] 第一相机6拍摄的图像将实际画面大小放大4倍，记录燃料与氧化剂接触区域附近较小空间的图像，即燃料与氧化剂点火过程的微观图像，因此可以更加清楚地分辨最初出现火焰的时刻，对于点火延迟时间较短的燃料，可以大大提高点火延迟时间测量的精度。
[0037] 第二相机7记录燃料与氧化剂接触区域附近较大空间的图像，记录反应区域全部空间位置的图像，即燃料与氧化剂点火过程的宏观图像，对于一些点火延迟时间长导致的火焰出现位置不确定的燃料，依靠该宏观图像分析点火延迟时间更加准确。
[0038] 在上位机10中设置第一相机和第二相机的拍摄参数，包括画幅大小、拍摄时间频率和曝光时间。常用画幅大小的范围可以从128*8到1280*800，拍摄频率的选择与画幅大小有关，例如Phantom V611相机中当画幅大小为1104*504时，拍摄频率最大为10,000fps。实验时在画幅大小合适的情况下，尽量选取较大的拍摄频率。
[0039] 位移台1为多维位移台，能够对液滴发生器的水平位置和高度位置进行调整。
[0040] 下面该测量系统的测量方法进行详细的描述。
[0041] 为了保证测量的精度，在实验开始之前，需要用玻璃板
覆盖盛有氧化剂的氧化剂液池4以降低氧化剂
蒸发对实验的影响。之后在燃料液滴落下前，及时将玻璃板移开。
[0042] 在上位机中设置第一相机和第二相机的参数，画幅大小：1104*504，拍摄频率：10,000fps，曝光时间：140μs。
[0043] 初次进行燃料和氧化剂自燃着火前需要进行燃料液滴大小标定，采用标准1mm尺寸大小的相机标定板对液滴大小进行标定。
[0044] 具体标定过程为：将标定板放在实验时放置氧化剂液池的位置，调整第一相机的焦距获得清晰的标定板图像，在上位机中读取标准1mm长度对应的
像素长度，获得比例α＝1mm/1mm对应的像素。用α来计算液滴尺寸D＝α*液滴直径像素。同时还可以通过α计算液滴碰池前5帧图片中液滴下落距离，获得液滴下落速度，确定液滴碰池的初始条件，利于实验后分析初始条件对点火延迟时间的影响。
[0045] 从燃料液池3向液滴发生器2中装入燃料，打开背光源8和散光光源9，同时通过上位机10启动第一相机6和第二相机7。
[0046] 启动驱动器4发出脉冲信号作用到压电振子上，使压电振子产生相应位移从向而液滴发生器施加力，注射器尖端产生直径D0为2.25mm的燃料液滴，垂直地落入下方的氧化剂液池4中。
[0047] 液滴下落同时，第一相机6以15°的俯角采用10,000fps的帧频记录燃料液滴和氧化剂液池之间的微观图像，拍摄的图像为原图像的4倍，同步上传到上位机10中进行处理，第二相机7采用10,000fps的帧频同时记录反应的宏观图像，同步上传到上位机10进行处理，从而全面地记录着火过程。
[0048] 在上位机10用PCC
软件打开拍摄的图像，由于彩色图像中较难准确判断火焰最初形成的时刻，易产生人为因素造成的误差，因此将画面的
饱和度调为0，获得灰度图像，再进行点火时刻的判断。
[0049] 燃料液滴初次接触氧化剂液池时对应图像的帧数记为N0，初次出现火焰时对应图像的帧数记为Ni，每帧的时间间隔△t＝1/帧频(s)。
[0050] 则点火时间延迟
[0051] 由于培养皿体积大，可以容纳足够的液体氧化剂，并且氧化剂液体体积约为离子液滴体积的15000倍，因此几滴燃料和反应产物不会污染氧化剂液池，所以不必每次实验前更换氧化剂。然而，经过约5次滴落实验后会更新氧化剂液池。
[0052] 本发明通过利用现有高速摄影技术，提出了一种测量自燃点火延迟时间的实验系统及方法。具体来说，采用10,000fps以上的帧频对自燃实验进行视频记录，一帧图片的时间间隔为0.1ms，与广泛使用的
光电二极管相比，同步精度更高，响应速度更快，装置更为简便，提高了点火延迟时间测量的精度。实验同时用两台高速摄像机记录反应过程，其中配有长焦显微镜的Phamtom V611相机可以记录微观现象，尽管记录时间较短，但是对于自燃点火延迟时间短的反应，可以更准确的判断燃料液滴初次接触氧化剂液池和初次出现火焰时对应的帧数，提高了自燃点火延迟时间的测量精度。而直接进行视频记录的Phamtom V1相机可以记录实验的宏观现象，获得更全面的实验过程。上位机实时获得反应视频，读取燃料液滴初次接触氧化剂液池时对应帧数记为N0，初次出现火焰时对应帧数记为Ni，每帧的时间间隔△t＝1/帧频(s)，则点火时间延迟
[0053] 因此，本发明利用利用高速摄相机搭配长焦显微镜，对燃料与氧化剂的自燃反应进行直接观测和记录，从中提取出自燃点火延迟时间，提高了测量自燃点火延迟时间的精度，减小误差的同时使得实验装置更为简便，易于操作。
[0054] 本发明采用高速摄影技术对自燃反应进行微观和宏观观测，实现对点火延迟时间的提取。同时，本发明实验装置安全简便，易于操作，并且提高了点火延迟时间测量的精度。
[0055] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明
权利要求书的保护范围之内。
