[发明专利]叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统

说明书

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。

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；