瞬态光谱应用 | 单基发射药燃烧速度与光谱特性的研究

将硝化棉（NC）预先烘干24h，称量2gNC溶于10ml的DMF中，待溶解完全，设置3D打印机参数：打印速度：1.2mm·min-1，打印平台温度：80℃。然后进行3D打印，成型的单基发射药长68mm，宽2mm，厚1mm，在真空干燥箱里50°C烘干24h。

2.1.1实验过程

首先，为确定两指示光的特征波长，同时避免指示光光谱对单基发射药燃烧光谱造成干扰，以中心波长与样品燃烧特征谱段不重叠的原则确定指示光特征波长。开展一组单基发射药燃烧光谱测量实验，获取其燃烧光谱，初步选定了中心波长为405nm和520nm的激光二极管作为指示光，然后通过光谱仪获取两指示光的光谱图，绘制了405nm和520nm指示光与单基发射药燃烧光谱对比图（图3），两指示光中心波长与单基发射药燃烧特征谱段未重叠，确定405、520nm可作为其燃速测量的指示光。然后调整指示光光路以及光纤探头角度（满足指示光准确照射在发射药的P1和P2处，光纤探头与指示光路形成30°~50°夹角，能捕捉到漫反射光）。最后，对光谱仪进行参数设置，积分时间设置为5ms，平均次数为1，且设置外部触发，一次外部触发使得光谱仪连续扫描400次，点燃发射药，通过光谱手段同时获取燃烧光谱和燃速。

图1指示光光谱与单基发射药燃烧光谱对比图

燃烧光谱的获取：先绘制时间序列光谱图，分析单基发射药整体燃烧过程，然后具体分析单个辐射光谱，探寻中间产物。燃烧速度的测量采用激光漫反射光谱法，进行特征波峰识别，以405nm和520nm两指示光强大幅衰弱（1·e-2）作为启停标志，计算时间Δt。衰减标准基于高斯光束的性质而定，1/e2是高斯光束光强分布的一个自然特征点，这个位置光强显著衰减，可以认为是光束的有效边界，定义为光斑半径。靶线法以两根靶线的断开作为定时器的启停，计算时间Δt；图像法通过燃面识别，以燃面燃烧到两个激光落点作为基准，计算时间Δt；三者同时获取燃速V=ΔL·Δt-1，相互验证。

2.1.2结果与讨论

根据两指示光中心波峰的衰减状态将整个过程分为三个阶段，具体代表谱图如下图2所示。燃烧初期（图2a）：从点燃至燃烧到P（10~1429.2ms），对405nm和520nm指示光的漫反射光均能有效捕捉表征，此时处于燃烧初期，因此Na*、K*金属对应的特征波峰强度相对较弱；燃烧中期（图2b）：随着燃烧加剧，燃面从P1燃烧到P（21429.2~3126.6ms），光纤探头能有效捕捉到520nm指示光的漫反射光，而405nm指示光对应的特征波峰消失。Na*、K*金属对应的特征波峰强度大幅增强；燃烧后期（图2c）：燃面从P2燃烧到药条底部直至熄灭（3126.6~5563.1ms），整体光谱强度逐渐减弱，两波峰相较于单基发射药金属离子特征波峰的强度，基本可以忽略。从单基发射药稳定燃烧阶段选择一张谱图数据进行绘图分析，如图3所示。单基发射药燃烧火焰的连续辐射很弱，仅在500~780nm范围内存在较明显的金属离子的连续辐射，其原因是由于单基发射药中不可燃成分含量低，导致燃烧彻底，固体颗粒物少，减少了火焰的连续辐射。而其中405nm以及520nm左右产生的波峰，则是光谱仪对两个指示光的捕捉表征。对单基发射药燃烧光谱中250~500nm波段进行放大，进行特征波峰的识别。其中，313.9nm对应OH*发射波峰；337.3nm对应NO发射波峰，其大量存在于单基发射药的燃烧反应区内，由硝酸酯分解和醛类放热反应生成，是单基发射药燃烧过程中的重要催化剂。386.8nm对应CH*发射波峰，这一波段还有CN*，但强度更弱，被前者掩盖；405.8nm处是K*的发射峰，被405nm指示光特征波峰大致掩盖。421.7nm处对应CHO*发射波峰，主要出现在发射药的表面反应区，是由硝酸酯的分解反应、分解产物与未分解的硝酸酯再次反应产生。462.3nm波峰对应CO2*发射波峰，是CO燃烧火焰的产物，且CO也是硝化棉（NC）燃烧分解的重要中间产物，与NO发生还原反应生成了CO2*

图2单基发射药阶段性代表光谱

图3单基发射药稳定燃烧辐射光谱强度曲线

单基发射药燃烧光谱中500~780nm波段辐射强度远大于250~500nm波段，表明燃烧辐射能量主要集中在这一波段。在588.7nm和766.8nm表现出明显的特征波峰，分别对应Na和K外层电子跃迁发射的原子光谱。相较于其它原子光谱，其激发能量和温度条件都较低，发射峰强度也更高，强度受温度和含量的影响大。不同于自由基来自化学激发，Na和K发射峰来自原子的热激发，与原子序数和温度密切相关，其辐射强度表征着燃烧过程中的温度信息，为后续多光谱测温奠定基础。Ca（OH）2的三个强度较弱的发射峰，依次对应在554.6，621.9，645.2nm处，在671.4nm还有金属Li的发射峰。单基发射药中的Na，K，Ca金属组分主要来自NC生产过程中残存的木质素，在单基发射药的实际生产过程中均不可避免。值得注意的是，虽然在单基发射药辐射光谱谱段存在OH*、CO2*、CH*、CHO*等自由基的特征峰，但相对于Na*、K*等金属离子特征峰而言强度很低，极易被忽视。因此可将Na*、K*的发射光谱作为单基发射药燃烧的标志，成为发射药生产和使用中的一种非接触式监测手段。

本研究提出一种基于激光漫反射光谱测量原理的燃烧速度测量方法，可以通过上海如海光电Gino光谱仪实现对单基发射药燃烧速度和燃烧光谱的同步获取。以此设计搭建发射药燃烧性能多参量测量系统，开展了单基发射药和双基发射药

燃烧测量实验进行验证。

1）燃烧光谱：首先综合单基发射药燃烧阶段所有光谱数据，构建单基发射药时间序列燃烧光谱图，整体分析其燃烧趋势。然后筛选稳定燃烧阶段某单个光谱，进行特征波峰识别，发现OH*，CO2*，CHO*等活性基团对应的强度较弱的特征峰，以及Na，K，Ca等强度很大的金属发射峰，提出可将Na*、K*、Ca*的发谱作为单基发射药燃烧的标志，作为一种非接触式监测手段提高生产、运输和存储发射药过程中的安全性。

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