CN107884392A - 电弧加热器气流焓值光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

电弧加热器气流焓值光谱测量系统，是基于发射光谱诊断技术，用于获取电弧加热器地面热防护试验中高焓气流的焓值特性，通过实验测得原子氧或原子氮发射光谱强度，利用目标组分发射光谱强度比值与高温气流焓值之间的定量关系，直接获得气流焓值，基于该方法可实现从低焓(5MJ/kg)到高焓(25MJ/kg)范围内的焓值定量测量，适用于叠片、分段、管式等多种类型电弧加热器的气流总焓诊断。

Description

电弧加热器气流焓值光谱测量系统

技术领域

本发明涉及电弧加热器气流焓值光谱测量系统及方法，用于叠片、分段、管式等电弧加热器地面模拟试验中，利用发射光谱测量系统实时监测电弧加热器内高温流场发射光谱，通过分析OI 777.19nm特征光谱强度的相对变化，获得电弧加热器高温气流的总焓。属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要试验平台，其工作状态和气流品质直接决定了试验的可靠性。目前已有的电弧加热器设备主要有叠片、分段、管式等几种方式。管式电弧加热器又被称为Linde(林德型)或huels(霍耳型)电弧加热器，是典型的平行流型加热器。此类加热器具有结构简单、维护方便、适用范围广等优点，其焓值模拟范围相对较低。叠片式电弧加热器通过拉长电弧通道，提高电弧能量密度，可以获得很高的气流焓值，是目前进行高焓、中高压地面防热考核试验的主要设备。分段电弧加热器介于这两者之间。电弧加热器试验调试是通过改变电流和进气流量来调节气流参数，采用平衡声速法获得气流焓值。目前的研究集中在数值模拟方面的工作，韩国首尔大学的Sooseok CHOI等人数值模拟了400kW叠片式电弧加热器的工作特性，研究了加热器运行参数范围内(电流：300-500A,流量：6-14g/s)等离子体高温气流参数的变化。德国Stuttgart大学Jeong Lee等人针对750kW叠片式电弧加热器，采用数值模拟研究了不同运行电弧电流和进气流量下加热器的工作特性。NASA Ames研究中心的Tahir等人数值模拟了10MW高压叠片电弧加热器的工作特性。由于缺乏对电弧加热器工作特性的系统实验研究，探讨气流总焓与加热器运行电流和进气流量的定量关系，在具体的工程实践中，加热器调试无法直接、迅速的获取所需的气流总焓，因此有必要开展相关的研究，获得气流焓值随气流量、运行电弧电流变化的定量演化规律，对进一步深入了解电弧加热器工作特性以及型号试验工程实践都有非常大的促进作用。

发射光谱作为一种非接触的测量方法利用原子(或分子)能级的辐射跃迁来诊断流场，保证在不破坏流场特征的情况下获得气流参数特性。近年来，随着高分辨率、高性能光谱测试仪器的出现，发射光谱诊断方法已成为高温流场参数诊断领域的重要方向。鉴于发射光谱的上述优点，国内外科研人员已开展发射光谱法应用于电弧加热器高温气流的在线诊断工作。日本JAXA宇航研究中心利用发射光谱诊断方法开展了对于高频感应风洞内高焓气流状态的研究，分析高焓等离子体的稳定性。德国Stuttgart大学的高焓气流研究课题组利用发射光谱技术在电弧加热器和高频感应风洞上开展了流场的定量研究，获得了气流温度和密度的定量信息。但目前的研究中利用发射光谱直接开展对于电弧加热器高焓气流焓值的定量实验研究还较少，而气流焓值是直接表征电弧加热器流场特性和模拟再入热环境参数的关键。

发明内容

本发明的技术解决问题：解决现有平衡声速法确定气流焓值过程中，气流量、加热器弧室压力等多种参数的测量误差引起的焓值误差，通过建立高温气流的辐射光谱特性与气流焓值的直接对应关系，可方便快捷的获取电弧加热器气流定量焓值，可实现对试验调试和模型热考核试验过程中多轨道气流焓值的实时在线监测。由于高焓气流的辐射光谱特性与加热器类型无相关性，该方法并不局限于某一种类型的电弧加热器，可适用于从低焓(5MJ/kg)到高焓(25MJ/kg)范围内各种类型电弧加热器的流场焓值确定。

本发明的技术方案：电弧加热器气流焓值光谱测量系统，包括电弧加热器、喷管、光谱测量压缩片、光纤、光谱采集单元、上位机；

光谱测量压缩片安装在电弧加热器和喷管之间，喷管出口置于试验环境中，试验模型放置在上述试验环境中；

电弧加热器对进入的空气进行加热，形成高温气流，经喷管膨胀加速后在喷管出口形成高速气流；

高温气流辐射在光谱测量压缩片透过光学窗口后进入光纤，光谱采集单元采集光纤内的辐射发光并转换为200-800nm范围内波长分辨的光谱数据输出至上位机；

上位机分析接收到的光谱数据获得原子氧谱线的发射光谱强度，并与预先标定的发射光谱强度与气流焓值的对应关系相比，得到上述高温气流的焓值。

进一步的，所述的获得待测波段范围内的发射光谱强度通过下述方式实现：

第一步，从接收的光谱数据中选用一个没有原子发射波段的发射强度作为参考值，将接收的光谱数据进行归一化处理；

第二步，选取归一化处理后的光谱数据中原子氧在777nm和845nm的谱线强度作积分，得到积分强度值。

待测波段选择原子氮在747nm和818nm或821nm或822nm或868nm的谱线强度作积分处理。

进一步的，发射光谱强度与气流焓值的对应关系通过下述方式实现：

第一步，将两条对温度灵敏度不同的目标组分谱线积分强度相比，得到发射光谱强度比值与温度、压力的关系式；

第二步，利用NASA化学平衡计算获得高温气流焓值5-25MJ/kg范围内焓值与温度、压力的离散数值关系；

第三步，结合第一步、第二步的结果，得到发射光谱强度比值与焓值的关系。

进一步的，所述光谱测量压缩片在高温气流方向采用两侧双层打孔冷却、中间层与气流垂直方向安装光学窗口。

进一步的，所述的光谱测量压缩片的材料为紫铜。

进一步的，系统还包括透镜，透镜安装在光学窗口所在的通道内，高温气流辐射透过光学窗口后经经透镜聚焦后进入光纤。

进一步的，所述的光谱采集单元采用光纤光谱仪，其波长范围200-800nm。

进一步的，所述的光谱采集单元采用光电倍增管结合窄带滤波片的方式，窄带滤波片的带宽为2-10nm，中心波长分别为777nm和845nm。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明利用OI 777nm的发射光谱特性来获得气流总焓，避开了电弧风洞试验调试过程气流量、加热器弧室压力等各种参数引起的误差，简化了试验流程，可以直观、迅速的获得高温气流的焓值。

(2)本发明采用发射光谱诊断方法测量气流焓值，其目标对象是针对不同温度下的高温气流和获得的辐射光谱，不局限于某种类型的电弧加热器，具有非常大的适用范围。

(3)本发明通过发射光谱谱线比值获得焓值的方法，可以避免后续复杂计算，通过标定曲线插值即可简洁、直接的获得高温气流的焓值，可以非常高效且实时获得电弧加热器整个实验过程中状态的变化。

(4)本发明具有非常高的时间分辨率，可实现数十ms量级的流场焓值分辨，同时该方法可实现对试验调试和模型热考核试验过程中多轨道气流焓值的实时、在线监测，反映电弧加热器的运行稳定性。

(5)本发明采用的光谱仪为微型光纤光谱仪，体积小、重量轻、价格低，光谱测量系统的实现难度和维护成本较低，可实现自动化监测运行。

附图说明

图1为本发明的电弧加热器气流焓值光谱测量系统的布局示意图。

图2为原子氧777nm发射光谱强度随气流焓值的变化；

图3为电弧加热器多轨道1000s运行下各状态的气流焓值实时测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例中的电弧加热器气流焓值光谱测量系统的结构图,包括：电弧加热器1、喷管2、光谱测量压缩片3、光纤6、光谱采集单元7、上位机8；

电弧加热器1对进入的空气进行加热，形成高温气流，经喷管2膨胀加速后在喷管出口形成高速气流；光谱测量压缩片3安装在电弧加热器1和喷管2之间，测量截面位于光谱测量压缩片3的中心层，该测量截面直径方向的高温气流辐射透过安装在光谱测量压缩片3光学窗口后进入光纤6，光谱采集单元7采集光纤6内的辐射发光并转换为200-800nm范围内波长分辨的光谱数据输出至上位机8；上位机8分析接收到的光谱数据获得原子氧谱线的发射光谱强度，进行下述处理：

首先，从接收的光谱数据中选用一个没有原子发射波段的发射强度作为参考值，将接收的光谱数据进行归一化处理；

然后，选取归一化处理后的光谱数据中原子氧在777nm和845nm附近的谱线强度作积分，得到积分强度值，谱线积分强度值满足：

其中A为谱线的爱因斯坦发射系数，h为普朗克常数，v₀为谱线中心波长，g为谱线高能级的权重，n_u为谱线高能级粒子数密度，PX为组分分压，T为高温气流的温度，E为高能级能量，通过两条对温度灵敏度不同的目标组分谱线积分强度相比，该比值仅与高温气流的温度相关，通过该比值可以得到高温气流的温度，如下述公式所示，其中常数C₁，C₂是仅与两条谱线光谱常数相关的量：

第二步，高温气流是热化学平衡气流，其焓值H是气流温度和压力的函数：

H＝f(T,P)

上述焓值与温度、压力的函数关系具体可以用NASA化学平衡计算：NASA-CEA获得，最终可以获得高温气流焓值5-25MJ/kg范围内焓值与温度、压力的离散数值关系，这样结合第一步所获高温气流的温度和测量的压力值，通过插值计算可以获得高温气流的焓值。

第三步，基于上述方法，标定高温气流从低焓到高焓：5-25MJ/kg下不同状态下焓值与上述比值的对应关系，获得标定曲线。因此对于高温气流焓值的测量可以反映为光谱谱线比值的测量，该比值通过光谱仪采集的波长分辨光谱可以直观获得，同时光谱仪的高时间分辨率可以实时的显示电弧加热器工作过程中焓值的变化。

该方法对高温气流焓值的测量适用于焓值范围5～25MJ/kg的叠片、分段、管式等多种类型的电弧加热器。对于焓值范围在5～25MJ/kg的范围，其运行过程中内部气体静温约为3200～7000K，在这个温度范围下，空气中的氧气逐步离解为原子态，对于目标组分原子氧或原子氮，选取两组对温度灵敏度不同的目标组分谱线，其辐射光谱强度的积分值之比仅与温度相关，同时气流焓值是温度和压力的函数，在已测量压力值的前提下，对于气流焓值的测量反映为对两条辐射光谱谱线的定量，而高温气流的光谱通过光谱仪可以获得时间分辨、波长分辨的光谱数据，从而可以得到电弧加热器整个试验过程中试验焓值的变化。

具体的而言，所述电弧加热器1涵盖常用的叠片、分段或管式各自类型的电弧加热器，叠片电弧加热器适用于中、高焓气动热试验，分段电弧加热器适用于中焓气动热试验，管式电弧加热器适用于低焓气动热试验。

具体的而言，所述喷管2为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管，既可以是超声速喷管，也可以是亚声速喷管。

具体的而言，所述光学窗口4为石英玻璃窗口，通过内外配合安装的聚四氟乙烯密封片组合，螺钉压紧密封。

具体的而言，所述光纤6为VIS/NIR多模阶跃型石英光纤，将透镜收集的高温流场发光传输至光谱仪。

以10MW高压叠片加热器为例，其主要的焓值模拟范围在8～12MJ/kg，其焓值测量的方法非常简单，通过预置在上位机上的标定曲线，结合光谱仪传递给上位机的光谱数据，基于相比即可获得高温气流焓值的变化。

图2为原子氧777nm发射光谱强度随气流焓值的变化。可以看到原子氧发射光谱强度随温度和气流焓值单调变化，基于光谱光谱强度比值与气流焓值的标定曲线是一个单调变化的规律。

图3为电弧加热器多轨道1000s运行下各状态的气流焓值实时测量结果。电弧加热器地面试验一般组合多种试验状态进行单次试验，可以看到基于该方法可以在线实时分辨出整个试验过程中各个试验状态下高温气流的焓值，同时每个试验状态下气流焓值的波动可以直观的反映电弧加热器工作的稳定性，进而对气动热地面模拟试验进行评估。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.电弧加热器气流焓值光谱测量系统，其特征在于：包括电弧加热器(1)、喷管2、光谱测量压缩片(3)、光纤(6)、光谱采集单元(7)、上位机(8)；

光谱测量压缩片(3)安装在电弧加热器(1)和喷管(2)之间，喷管出口置于试验环境中，试验模型放置在上述试验环境中；

电弧加热器(1)对进入的空气进行加热，形成高温气流，经喷管(2)膨胀加速后在喷管出口形成高速气流；

高温气流辐射在光谱测量压缩片(3)透过光学窗口后进入光纤(6)，光谱采集单元(7)采集光纤(6)内的辐射发光并转换为200-800nm范围内波长分辨的光谱数据输出至上位机(8)；

上位机(8)分析接收到的光谱数据获得原子氧谱线的发射光谱强度，并与预先标定的发射光谱强度与气流焓值的对应关系相比，得到上述高温气流的焓值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的获得待测波段范围内的发射光谱强度通过下述方式实现：

第一步，从接收的光谱数据中选用一个没有原子发射波段的发射强度作为参考值，将接收的光谱数据进行归一化处理；

第二步，选取归一化处理后的光谱数据中原子氧在777nm和845nm的谱线强度作积分，得到积分强度值。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：待测波段选择原子氮在747nm和818nm或821nm或822nm或868nm的谱线强度作积分处理。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：发射光谱强度与气流焓值的对应关系通过下述方式进行标定：

第一步，将两条对温度灵敏度不同的目标组分谱线积分强度相比，得到发射光谱强度比值与温度、压力的关系式；

第二步，利用NASA化学平衡计算获得高温气流焓值5-25MJ/kg范围内焓值与温度、压力的离散数值关系；

第三步，结合第一步、第二步的结果，得到发射光谱强度比值与焓值的关系。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光谱测量压缩片(3)在高温气流方向采用两侧双层打孔冷却、中间层与气流垂直方向安装光学窗口(4)。

6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于：所述的光谱测量压缩片(3)的材料为紫铜。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：还包括透镜(5)，透镜(5)安装在光学窗口(4)所在的通道内，高温气流辐射透过光学窗口后经经透镜(5)聚焦后进入光纤(6)。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的光谱采集单元(7)采用光纤光谱仪，其波长范围200-800nm。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的光谱采集单元(7)采用光电倍增管结合窄带滤波片的方式，窄带滤波片的带宽为2-10nm，中心波长分别为777nm和845nm。