CN107907502A - 叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统 - Google Patents

叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统 Download PDF

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Abstract

叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统，用于获取电弧加热器地面热防护试验中高温流场的气流参数(粒子数密度和静温)，选用原子O(777.19nm)谱线，对电弧加热器内高温离解空气试验气流进行在线诊断，获得了电弧加热器内等离子体气流温度和原子氧粒子数密度。该方法可作为电弧加热器高焓气流参数诊断的常规手段。

Description

叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统
技术领域
本发明涉及一种用于叠片电弧加热器高焓气流诊断的激光吸收光谱技术，用于高焓叠片式电弧加热器地面模拟试验中，利用激光吸收光谱测量系统实时测量电弧加热器内高温流场，通过分析OI 777.19nm入射激光和出射激光的变化，获得电弧加热器高温气流的静温和关键组分原子氧粒子数密度。属于飞行器地面气动热试验研究领域。
背景技术
电弧风洞是进行高超声速飞行器再入和热防护研究的重要地面试验设备，是各航天大国进行空间探索的关键技术之一和核心竞争力。高超声速飞行器再入大气层,由于强激波和粘性滞止，激波波后温度可达几千甚至上万K,飞行器面临剧烈的气动加热:飞行器周围气体被离解、电离为等离子体，再入流场经历热力学平动、振动、转动、电子温度的变化和气体组分的激发、离解、复合和电离的化学反应过程，加上飞行器表面催化效应和氧化机制的影响，飞行器再入流场过程非常复杂，是飞行器热防护研究的重点。电弧加热器通过电弧加热方式产生高焓等离子体气流，模拟飞行器再入流场条件，进行飞行器防热研究的地面试验，而其中关键在于地面风洞设备准确模拟再入流场的能力。传统接触式测量手段难以对高温流场进行准确定量，限制了飞行器防热材料及防热结构研究的发展，迫切需要发展新的高温流场测量技术，开展对于电弧加热器高焓气流的诊断应用。
光谱学手段作为一种非接触的测量方法，利用流场原子或分子组分的辐射跃迁来获得流场的信号，具有非常高的应用前景。以激光吸收光谱技术为代表的非接触式光谱测量方法具备对流场多参数实时诊断的能力和对流场无干扰的优点，是高温、高超设备流场诊断的理想手段之一。近年来，国内外开展激光吸收光谱技术对大功率电弧加热器诊断的应用。Stanford大学的Suhong Kim等利用O I(777nm),N I(856nm),Ar(772nm)以及Cu(793nm)四种组分的谱线，开展对NASA 60MW叠片式电弧风洞(IHF,Interactive HeatingFacility)流场的定量研究，获得了电弧加热器内气流静温和各组分的粒子数密度，并初步探索了原子激光吸收光谱对风洞试验舱自由流流场的研究，这是国际上较早利用激光吸收光谱技术系统研究高焓等离子体风洞流场。近年，该研究小组的Nations,M等人利用O I(777nm)谱线进一步开展了对NASA IHF叠片加热器内部高焓气流的研究，获得了等离子体气流的温度空间分布结果。日本东京大学的Matsui,M等发展了激光吸收光谱技术在高频感应风洞(ICP,Inductively Coupled Plasma)的应用，利用激光吸收光谱获得了ICP内自由流的静温、原子O的摩尔分数以及径向气流总焓的空间分布。国内中国航天动力技术研究院的欧东斌等人利用原子氧激光吸收光谱技术，对大功率电弧风洞试验舱内平头圆柱体模型脱体激波波后气体温度和氧原子数密度进行了测量。对电弧加热器高温流场参数：气流温度和组分粒子数密度的定量测量，可以直接评估电弧加热器运行效率、稳定性和流场品质，本工作通过设计光学测量系统，成功实现了对电弧加热器弧室内高焓气流参数的实时测量，验证了激光吸收光谱技术在高焓电弧设备的应用前景。通过对光学测量系统的优化设计和测量方法的改进，大大降低激光吸收光谱技术对大型电弧风洞设备复杂环境(电磁干扰，机械干扰，气流非均匀性和非平衡特性等)的应用难度，该诊断方法可作为高温流场诊断的成熟测试手段。
发明内容
本发明的技术解决问题：解决了传统常规测试手段难以长时间适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境的难题，在不破坏流场的前提下成功实现对高温内流场的实时诊断，满足对于高焓气流参数温度和关键组分粒子数密度的测量。
本发明的技术方案：叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统，包括电弧加热器、喷管、光学测量片、多模光纤、激光接收单元、单模光纤、激光发射单元、上位机；
光学测量片安装在电弧加热器和喷管之间，喷管出口置于一个封闭的真空环境中，试验模型放置在上述真空环境中；
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；
激光发射单元根据上位机的指令，产生一束窄带、波长可调谐的激光信号输出至光学测量片，并标定出所产生激光信号的时间尺度-频率尺度关系输出至上位机；光学测量片对输入的激光信号首先进行准直，准直后的信号穿过上述高温气流，并滤掉背景辐射后聚焦进入多模光纤，激光接收单元从多模光纤接收信号进行光电转换后传递至上位机；
上位机对接收的时间尺度-频率尺度关系和光电转换后的信号进行处理，得到高温气流的温度和原子氧的粒子数密度，将该高温气流的温度和原子氧的粒子数密度作为试验模型试验过程中的试验参数。
进一步的，所述的上位机采用下述方式实现：
第一步，通过接收的时间尺度-频率尺度关系对光电转换后的信号进行时域和频域的转换，得到透射光强信号；
第二步，将透射光强信号与比对信号相比，并取对数，作为拟合对象进行Voigt曲线拟合，获得曲线的积分面积或者半高宽，进而得到高温气流的温度，根据该温度得到原子氧的粒子数密度。
进一步的，所述的比对信号为基于激光发射单元产生的窄带、波长可调谐的激光信号乘以透射光强信号中非吸收影响下光强的衰减系数；或者为基于透射光强信号单周期数据中没有原子氧谱线吸收位置的数据，进行多项式拟合获得的基线。
进一步的，没有原子氧谱线吸收位置的界定是基于透射光强信号中原子氧吸收谱线的半高全宽，乘以系数5。
进一步的，所述的Voigt曲线拟合实现步骤如下：
第一步，对拟合对象进行多普勒线型函数或者洛伦兹线型函数拟合，得到拟合初值y0，拟合对象的积分面积A，多普勒加宽ΔvD或洛伦兹加宽ΔvL；
第二步，根据获得的多普勒加宽ΔvD或洛伦兹加宽ΔvL，结合两种加宽的比例系数，得到洛伦兹加宽ΔvL或者多普勒加宽ΔvD；所述的两种加宽的比例系数根据任意一组温度、压力值结合两种加宽的定义相比得到；
第三步，将上述确定的拟合初值y0，拟合对象的积分面积A，多普勒加宽ΔvD、洛伦兹加宽ΔvL作为拟合初值参数进行Voigt曲线拟合，获得曲线的积分面积或者半高宽。
进一步的，光学测量片包括主体安装结构以及安装在该结构上的光路调整单元，一路光路调整单元包括准直透镜、玻璃窗口、窄带滤波片、聚焦透镜；光学测量片通过主体安装结构安装在电弧加热器和喷管之间；
其中，激光发射单元产生的一束窄带、波长可调谐的激光信号经准直透镜调节为平直激光，通过玻璃窗口透过高温气流，之后经窄带滤波片滤过背景辐射，由聚焦透镜聚焦。
进一步的，当需要测量高温气流横截面的空间流场信息时，光学测量片上布置N路光路调整单元，对应的激光发射单元产生N束相同的窄带、可调谐的激光信号，上位机分别对N路数据进行处理，得到N路高温气流的温度和原子氧的粒子数密度，得到垂直于高温气流方向上的N路试验参数；N大于等于2。
进一步的，N路光路调整单元在垂直于高温气流方向的圆横截面上平行布置或者穿过圆心径向布置。
进一步的，所述光学测量片在高温气流方向采用两侧双层打孔冷却、中间层布置光路调整单元。
进一步的，所述窄带滤波片带宽2-10nm，滤波片中心波长为目标特征谱线波长。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明利用激光吸收光谱来获得电弧加热器高焓气流静温和原子氧离子数密度，解决了传统测量手段难以应用与等离子体高温流场诊断的难题，成功实现了对高温内流场的非接触式测量。
(2)本发明的诊断方法采用两步拟合方法，可以提高拟合效率，同时保证良好的拟合效果，拟合误差在1％，同时对于拟合过程中比对信号的选择通过动态计算每个周期内的谱线半高全宽，界定比对信号多项式拟合的边界，可以更有效的获得比对信号。
(3)本发明具有非常高的时间分辨率，可实现数kHz的时间分辨。
(4)本发明的光学测量片采用多层结构，既满足防热及强度的需要，又避免了冷却水道与光谱测量通道的相互干扰，该测量片可以扩展多路光路调整单元，同时进行多路测量，获得空间分辨的高温气流参数。
(5)本发明采用的激光测量系统为光纤耦合半导体激光器，可非常方便、快捷进行安装调试，维护成本低。
(6)本发明具有非常高的适用性，可应用于其他类型的高焓设备流场诊断。
附图说明
图1为本发明的叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统的结构图。
图2为电弧加热器一组运行参数下高温气流的温度和原子氧粒子数密度。
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叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统的结构图,包括：电弧加热器1、喷管2、光学测量片3、多模光纤4、激光接收单元18、单模光纤7、激光发射单元19、上位机17。激光发射单元19包括光纤分束器12、Etalon标准具13、半导体激光器14、激光控制器15和信号发生器16，激光接收单元18包括硅光电探测器5和示波器6。
试验在叠片式电弧风洞里进行，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；
利用激光发射单元19根据上位机的指令，信号发生器16产生周期性的锯齿波或正弦信号，输出给激光控制器15,改变激光控制器15的调谐电流，改变锯齿波或正弦信号的幅度和频率可以分别改变调谐电流的大小和频率。同时激光控制器通过改变温度来改变半导体激光器14的波长，利用这两种调谐方式获得调谐的波长范围，产生一束窄带的激光信号。该激光信号通过光纤分束器12将半导体激光器14出射激光信号一分为二，一束通过Etalon标准具13标定出所产生激光信号的时间尺度-频率尺度关系输出至上位机17；一束输出至光学测量片3；
利用光学测量片3对输入的激光信号首先进行准直，准直后的信号穿过上述高温气流，并滤掉背景辐射后聚焦进入多模光纤4；
利用激光接收单元将从多模光纤4接收信号，透射的激光信号通过硅光电探测器5进行收集，转换为电信号，该信号通过示波器6采集，传递至上位机17；
上位机17对采集的透射光强信号进行处理，对透射光强信号中每个周期的信号进行时域-频域转换，通过Etalon标准具13传递给上位机的的关系，将上述单周期信号的时间s尺度变换为波数cm-1尺度，将转换后的透射光强信号与比对信号相比，并取对数，作为拟合对象进行Voigt曲线拟合，。比对信号基于激光发射单元产生窄带、波长可调谐的激光信号，在此基础上乘以透射光强信号中非吸收影响下光强的衰减系数；或者是基于透射光强信号单周期数据中没有原子氧谱线吸收位置的数据，进行多项式拟合获得的基线，非吸收位置的界定是基于透射光强信号中原子氧吸收谱线的半高全宽，乘以系数5。
关于曲线拟合本发明采用Voigt曲线拟合，下面具体进行介绍：
基于转换后的信号，对其进行Voigt曲线拟合，拟合函数采用下述公式：
y＝y0+A·φV(v)
y代表上述拟合对象，y0代表拟合初值，A代表上述拟合对象的积分面积，φV(v)代表Voigt线型函数，其实多普勒线型函数φD(v)和洛伦兹线型函数φL(v)的卷积，分别满足：
ΔvD和ΔvL分别代表多普勒加宽和洛伦兹加宽，分别是上述高温气流温度T和压力P的函数,M代表目标组分的摩尔质量，X代表组分浓度，γj为加宽系数。上述高温气流状态下，ΔvD和ΔvL两种加宽机制的量级相当，分别区分和提取这两种加宽非常困难，同时合适的拟合初值参数(y0，A,ΔvD,ΔvL)是Voigt曲线拟合收敛的关键，采用两步拟合方法：
第一步，将比对信号采用多普勒线型函数或洛伦兹线型函数进行单次拟合，上述拟合函数易于收敛，所获y0，A作为第二步Voigt迭代拟合的初值，同时获得的ΔvD或ΔvL，根据两种加宽的比例系数，获得另外一种加宽的值作为第二步Voigt迭代拟合的初值，这样通过第一步处理可以得到接近于最终收敛值的拟合初值参数。
第二步，基于第一步所获的各拟合初值参数和上述Voigt拟合函数，利用Levenberg–Marquardt算法对上述拟合对象进行迭代拟合，直至收敛，从而获得每个信号的积分面积和谱线加宽，由于多普勒加宽只与温度相关，通过多普勒加宽可以得到温度，在温度测得以后，通过积分吸收面积与仅与温度相关的谱线强度、高温气流压力和激光光程之比，可以得到原子氧的粒子数密度。
具体而言，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。
具体而言，所述光学测量片3整体材料为紫铜，采用上下双层打孔冷却、中间层布置发射光谱测量通道的多层结构，既满足防热及强度的需要，又避免了冷却水道与光谱测量通道的相互干扰。
具体而言，所述光纤4为VIS/NIR多模光纤，将穿过高温气流的透射激光收集，并由硅光电探测器接收。
所述探测器5为硅光电探测器，将激光信号转换为电压信号，并将转换的信号通过数据线传输给数据采集装置。
具体而言，所述数据采集装置6为多通道示波器，可实时采集试验过程中的激光信号，示波器带宽为1GHz。
具体而言，所述光纤7为VIS/NIR单模光纤，将激光器发射激光收集，然后穿过待测高温流场。
具体而言，所述光纤分束器12为50:50分光的光纤分束器，将激光器14发射的激光一分为二，一路输出给待测高温气流，另一路用于标定激光器时域-频域关系。
具体而言，所述Etalon标准13的作用在于把以时间s为基准轴的单周期激光信号转换为以波数cm-1为基准轴的激光信号，用于后续的光谱信息提取。
具体而言，所述半导体激光器1为外腔式ECDL可调谐二极管半导体激光器，输出波长范围较广，有效波长范围为765-781nm。
具体而言，所述信号发生器16为双通道信号发生器。其作用在于输出锯齿波或正弦波调谐信号给激光器控制器15,控制其电流调谐的幅度和频率。
以50MW叠片加热器为例，其主要的焓值模拟范围在10～25MJ/kg，焓值运行范围对应的弧室内气流温度约为5000～7000K，此温度范围下，空气中的氧气逐步离解为原子态。对于特征谱线原子氧777.19nm，激光通过待测高温气流，激光的透射光强和比对光强之比代表特征谱线的光谱吸收系数，光谱吸收系数与当地的气流温度、目标组分低能级粒子数密度和激光光程相关，同时要考虑谱线加宽对光谱线型的影响。通过上述Voigt两步拟合光谱数据，获得目标组分原子氧777.19nm光谱积分面积和谱线半宽全宽，首先可以得到气流静温。在获得气流静温后，得到仅与气流温度相关的原子氧谱线强度S(T),同时测量高温气流的压力和激光光程的大小，用积分面积与上述三个参数相比，可以获得高温气流中目标组分原子氧粒子数密度。因此通过电弧加热器不同运行参数下在线测量，可以获得其不同状态下高温气流的参数，从而作为评估试验状态的依据。
图2为电弧加热器一组运行参数下高温气流的温度和原子氧粒子数密度。可以看到电弧加热器气动工作，高温气流温度和原子氧粒子数密度迅速增加，然后达到平衡，平衡温度在6100K±100K左右，平衡的原子氧粒子数密度在(1.1±0.03)×1018cm-3,同时该结果气流温度和原子氧粒子数密度温度平衡以后，出现周期性的小幅波动，可以反映电弧加热器工作过程中气流稳定性。其中温度和粒子数密度测量误差直接与光谱数据的积分面积和谱线加宽相关，而光谱数据的积分面积和谱线加宽来源来自于Voigt曲线拟合的误差，高温气流压力和激光光程的测量误差，电弧加热器强电、机械噪声对测量信噪比的影响也会对测量结果的精度参数影响，综合评估所有因素对测量的影响，在图1中电弧加热器试验状态下，温度的偏差在100K，原子氧粒子数密度的偏差在3×1016cm-3，对于复杂高温条件下的在线实时测量是非常理想的测量结果。
注意，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 (10)

1.叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统，其特征在于：包括电弧加热器(1)、喷管(2)、光学测量片(3)、多模光纤(4)、激光接收单元(18)、单模光纤(7)、激光发射单元(19)、上位机(17)；
光学测量片(3)安装在电弧加热器(1)和喷管(2)之间，喷管出口置于一个封闭的真空环境中，试验模型放置在上述真空环境中；
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；
激光发射单元(19)根据上位机的指令，产生一束窄带、波长可调谐的激光信号输出至光学测量片(3)，并标定出所产生激光信号的时间尺度-频率尺度关系输出至上位机(17)；光学测量片(3)对输入的激光信号首先进行准直，准直后的信号穿过上述高温气流，并滤掉背景辐射后聚焦进入多模光纤(4)，激光接收单元(18)从多模光纤(4)接收信号进行光电转换后传递至上位机(17)；
上位机(17)对接收的时间尺度-频率尺度关系和光电转换后的信号进行处理，得到高温气流的温度和原子氧的粒子数密度，将该高温气流的温度和原子氧的粒子数密度作为试验模型试验过程中的试验参数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的上位机采用下述方式实现：
第一步，通过接收的时间尺度-频率尺度关系对光电转换后的信号进行时域和频域的转换，得到透射光强信号；
第二步，将透射光强信号与比对信号相比，并取对数，作为拟合对象进行Voigt曲线拟合，获得曲线的积分面积或者半高宽，进而得到高温气流的温度，根据该温度得到原子氧的粒子数密度。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的比对信号为基于激光发射单元产生的窄带、波长可调谐的激光信号乘以透射光强信号中非吸收影响下光强的衰减系数；或者为基于透射光强信号单周期数据中没有原子氧谱线吸收位置的数据，进行多项式拟合获得的基线。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：没有原子氧谱线吸收位置的界定是基于透射光强信号中原子氧吸收谱线的半高全宽，乘以系数5。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的Voigt曲线拟合实现步骤如下：
第一步，对拟合对象进行多普勒线型函数或者洛伦兹线型函数拟合，得到拟合初值y0，拟合对象的积分面积A，多普勒加宽ΔvD或洛伦兹加宽ΔvL；
第二步，根据获得的多普勒加宽ΔvD或洛伦兹加宽ΔvL，结合两种加宽的比例系数，得到洛伦兹加宽ΔvL或者多普勒加宽ΔvD；所述的两种加宽的比例系数根据任意一组温度、压力值结合两种加宽的定义相比得到；
第三步，将上述确定的拟合初值y0，拟合对象的积分面积A，多普勒加宽ΔvD、洛伦兹加宽ΔvL作为拟合初值参数进行Voigt曲线拟合，获得曲线的积分面积或者半高宽。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光学测量片(3)包括主体安装结构以及安装在该结构上的光路调整单元，一路光路调整单元包括准直透镜(8)、玻璃窗口(9)、窄带滤波片(10)、聚焦透镜(11)；光学测量片(3)通过主体安装结构安装在电弧加热器(1)和喷管(2)之间；
其中，激光发射单元产生的一束窄带、波长可调谐的激光信号经准直透镜(8)调节为平直激光，通过玻璃窗口(9)透过高温气流，之后经窄带滤波片(10)滤过背景辐射，由聚焦透镜(11)聚焦。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：当需要测量高温气流横截面的空间流场信息时，光学测量片(3)上布置N路光路调整单元，对应的激光发射单元产生N束相同的窄带、可调谐的激光信号，上位机(17)分别对N路数据进行处理，得到N路高温气流的温度和原子氧的粒子数密度，得到垂直于高温气流方向上的N路试验参数；N大于等于2。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：N路光路调整单元在垂直于高温气流方向的圆横截面上平行布置或者穿过圆心径向布置。
9.根据权利要求1或6或7所述的系统，其特征在于：所述光学测量片(3)在高温气流方向采用两侧双层打孔冷却、中间层布置光路调整单元。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述窄带滤波片(10)带宽2-10nm，滤波片中心波长为目标特征谱线波长。
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