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摘 要 固体火箭发动机的非透明尾焰由固体推进剂燃烧形成，尾焰由气体和固体粒子混合组成。利用高速CCD相机，激光器研制粒子成像测速测量系统，测量装置完全不介入流场，对固体火箭发动机尾焰粒子流速进行测量，是真正意义上的非接触测量，还具有较高的测量精度。
关键词 发动机尾焰；粒子流速；CCD
中图分类号：V435 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-064-02
火箭发动机的尾焰通常可以分为：透明和不透明两种尾焰。液体火箭发动机的尾焰由液体燃料燃烧形成的透明羽流；而固体火箭发动机的非透明尾焰由固体推进剂燃烧形成，尾焰由气体和固体粒子混合组成。针对不同的羽流流体，其参数测量方法也不相同。对于非透明火焰（含固体粒子），无需示踪粒子，测量装置完全不介入流场，是真正意义上的非接触测量，还具有较高的测量精度。
本方法利用激光技术的非接触测量，采用图像记录的方式，再经过图像处理技术测试出粒子的运动速度。
1 尾焰粒子流速测量原理
由于固体火箭发动机的尾焰可近似为具有轴对称特点的对象。因为尾焰的对称性而使得其形成的粒子流场具有轴对称的几何特征。正是因为对如此对称性的考虑，我们可以把三维分布形式的粒子流场转化为其对称轴线的平面来代替整个三维场。只要我们重建出轴面上的场，就可以根据对称性获得三维空间的粒子流场数值，从而简化了三维场重建问题。
目标所在平面是CCD相机成像的物面。这样物和像之间就可以建立起一个光学成像模型来描述。P（x，y）表示目标平面的点，而P1（x1，y1）表示CCD相机记录平面上的点。
P点和P1点之间的距离D可以表示为：
如果两次曝光的时间间隔为t，则粒子流速V=D/t。对多个粒子进行分析，就可以测量所有粒子的流速。并用矢量标记大小和方向。
粒子成像测速又称粒子图像测速法，是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。粒子成像测速技术的特点是超出了单点测速技术的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。
原理图
利用高速CCD相机，激光器研制粒子成像测速测量系统，配合解算软件得到流体的速度和其他信息，研制环境接口（现场安装支架和窗口等），实现羽流在线测试。
2 技术途径
2.1 硬件系统
粒子成像测速系统主要包含时序控制器、计算机及粒子成像测速 应用软件、图像记录仪、光学照明系统等四大部分，还可根据现场情况设计隔离窗口、防震支架、光路吹扫、防爆客体和防热客体、不间断电源等，用光学方法对气流内部进行流动测量和结构研究。
测量原理图
2.2 图像处理
采用前面所说的方法对试验所取得的图像进行处理。包括图像预处理、粒子图像位置坐标、速度计算等。由于曝光的时间间隔是已知的，所以只要对粒子图像上的一对粒子之间的相对位移进行测量即可得到粒子的速度。
但由于我们获得的图像含有一定的噪声，首先必须对图像进行处理，再进行速度计算。主要可以分为以下几步：灰度滤波——中值滤波——图像填充——粒子图像定位——粒子位置信息获得——粒子对识别——速度计算。
2.3 标定
提供绘有标准图案的靶板，对软件判读出的拍摄图案和软件存储的标准图案进行比较，软件可以计算出补偿函数，有效补偿因记录仪倾斜、光线弯曲、媒介折射等因素造成的图像失真或变形，减小定位误差。绘有标准图案的靶板，除了可修正各记录仪的自身倾斜、图象变形失真和透视效应，还可为多台记录仪提供共同的空间基准，让软件计算出正确的空间映象函数。软件利用空间映象函数，可以确定不同记录仪坐标系间的相互关系，利用多台记录仪的二维测量结果合成出三维矢量图。
3 试验结果
利用粒子成像测速技术对喷管尾焰进行了大量的试验研究。对不同距离、不同压强的尾流进行了试验测量。下面两图分别为两种不同发动机的尾焰粒子速度计算的结果。
4 结束语
在实际测试中发现，曝光时间的选取对结果的计算起到关键的作用。过长的时间间隔会导致粒子的位移过大，使图像的相关性降低，无法计算出正确的速度。过短的时间间隔会导致粒子位移过小，无法区分前后的粒子。因此选用适当的曝光时间直接关系到测量的结果。
参考文献
[1]温正，钟凌伟，王一白，等.离子推力器加速栅极离子运动规律的数值研究[J].强激光与粒子束，2011（06）.
[2]程诚，王一白，刘宇.线性塞式喷管外流干扰数值计算与冷流试验[J].航空动力学报，2012（04）.
关键词 发动机尾焰；粒子流速；CCD
中图分类号：V435 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-064-02
火箭发动机的尾焰通常可以分为：透明和不透明两种尾焰。液体火箭发动机的尾焰由液体燃料燃烧形成的透明羽流；而固体火箭发动机的非透明尾焰由固体推进剂燃烧形成，尾焰由气体和固体粒子混合组成。针对不同的羽流流体，其参数测量方法也不相同。对于非透明火焰（含固体粒子），无需示踪粒子，测量装置完全不介入流场，是真正意义上的非接触测量，还具有较高的测量精度。
本方法利用激光技术的非接触测量，采用图像记录的方式，再经过图像处理技术测试出粒子的运动速度。
1 尾焰粒子流速测量原理
由于固体火箭发动机的尾焰可近似为具有轴对称特点的对象。因为尾焰的对称性而使得其形成的粒子流场具有轴对称的几何特征。正是因为对如此对称性的考虑，我们可以把三维分布形式的粒子流场转化为其对称轴线的平面来代替整个三维场。只要我们重建出轴面上的场，就可以根据对称性获得三维空间的粒子流场数值，从而简化了三维场重建问题。
目标所在平面是CCD相机成像的物面。这样物和像之间就可以建立起一个光学成像模型来描述。P（x，y）表示目标平面的点，而P1（x1，y1）表示CCD相机记录平面上的点。
P点和P1点之间的距离D可以表示为：
如果两次曝光的时间间隔为t，则粒子流速V=D/t。对多个粒子进行分析，就可以测量所有粒子的流速。并用矢量标记大小和方向。
粒子成像测速又称粒子图像测速法，是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。粒子成像测速技术的特点是超出了单点测速技术的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。
原理图
利用高速CCD相机，激光器研制粒子成像测速测量系统，配合解算软件得到流体的速度和其他信息，研制环境接口（现场安装支架和窗口等），实现羽流在线测试。
2 技术途径
2.1 硬件系统
粒子成像测速系统主要包含时序控制器、计算机及粒子成像测速 应用软件、图像记录仪、光学照明系统等四大部分，还可根据现场情况设计隔离窗口、防震支架、光路吹扫、防爆客体和防热客体、不间断电源等，用光学方法对气流内部进行流动测量和结构研究。
测量原理图
2.2 图像处理
采用前面所说的方法对试验所取得的图像进行处理。包括图像预处理、粒子图像位置坐标、速度计算等。由于曝光的时间间隔是已知的，所以只要对粒子图像上的一对粒子之间的相对位移进行测量即可得到粒子的速度。
但由于我们获得的图像含有一定的噪声，首先必须对图像进行处理，再进行速度计算。主要可以分为以下几步：灰度滤波——中值滤波——图像填充——粒子图像定位——粒子位置信息获得——粒子对识别——速度计算。
2.3 标定
提供绘有标准图案的靶板，对软件判读出的拍摄图案和软件存储的标准图案进行比较，软件可以计算出补偿函数，有效补偿因记录仪倾斜、光线弯曲、媒介折射等因素造成的图像失真或变形，减小定位误差。绘有标准图案的靶板，除了可修正各记录仪的自身倾斜、图象变形失真和透视效应，还可为多台记录仪提供共同的空间基准，让软件计算出正确的空间映象函数。软件利用空间映象函数，可以确定不同记录仪坐标系间的相互关系，利用多台记录仪的二维测量结果合成出三维矢量图。
3 试验结果
利用粒子成像测速技术对喷管尾焰进行了大量的试验研究。对不同距离、不同压强的尾流进行了试验测量。下面两图分别为两种不同发动机的尾焰粒子速度计算的结果。
4 结束语
在实际测试中发现，曝光时间的选取对结果的计算起到关键的作用。过长的时间间隔会导致粒子的位移过大，使图像的相关性降低，无法计算出正确的速度。过短的时间间隔会导致粒子位移过小，无法区分前后的粒子。因此选用适当的曝光时间直接关系到测量的结果。
参考文献
[1]温正，钟凌伟，王一白，等.离子推力器加速栅极离子运动规律的数值研究[J].强激光与粒子束，2011（06）.
[2]程诚，王一白，刘宇.线性塞式喷管外流干扰数值计算与冷流试验[J].航空动力学报，2012（04）.