2. 中国科学院力学研究所, 北京 100090
2. Institute of Mechanics, China Academy of Science, Beijing 100090, China
高焓电弧加热器可以复现高超声速飞行器再入飞行时的主要热参数(焓，热流)，依托空气为介质的电弧风洞地面试验可以有效地进行地球大气再入飞行器防热材料的筛选和考核，是目前各国进行热防护的主要地面试验设备[1-3]。地面模拟试验的关键问题之一是获得准确的电弧加热器气流运行参数，由于电弧加热器内离解空气温度高于5000K，等离子体平动-转动-振动激发和气流组分(N2, N, NO, O2, O)的离解复合，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。近年来，以激光吸收光谱技术为代表的非接触式光谱测量方法因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，成为了国际上高温、高超设备流场诊断技术的发展热点[4]。
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较晚，在近10年才有相关研究结果发表。Stanford大学的Suhong Kim等选用O, N, Ar, Cu等原子谱线，对NASA Ames IHF 60MW电弧加热器内和试验舱内气流进行了在线诊断，在国际上首次获得了加热器气流温度[5]。该研究小组应用外腔半导体激光器，选用777.19nm附近原子O谱线获得了该加热器在不同焓值下加热器截面不同位置的气流温度，并与相关数值计算结果对比，获得了良好的一致性[6]。日本东京大学的Makoto Matsui等基于777.19 nm原子O谱线，对高频感应风洞(ICP)内气流进行了诊断，基于测量的温度结果计算获得了气流总焓，与其他接触式手段测量结果一致[7]。在国内，中国航天动力技术研究院欧东斌等利用原子O激光吸收光谱技术，对某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[8]，填补了国内在电弧风洞气流诊断研究方面的空白。
基于前期激光吸收光谱(LAS)流场诊断技术在电弧风洞试验舱内对高温超声速气流与平头圆柱模型相互化学作用过程的定量诊断，本文应用原子O-LAS吸收诊断技术，进一步开展了对中国航天空气动力技术研究院FD-04电弧风洞加热器弧室等离子体气流的在线诊断研究，测量得到了不同工况下弧室气流温度和原子O总粒子数密度和低能级5S20粒子数密度，获得评估电弧加热器运行状态的定量流场参数，光学测量结果与接触式测量结果一致。结合NASA-CEA[9]平衡计算验证了弧室局部热平衡等等离子体假设的有效性，本研究工作验证了激光吸收光谱技术在高焓电弧设备的应用前景，本研究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LAS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，LAS光谱诊断技术可作为高温流场诊断的成熟测试手段。
1 激光吸收光谱(LAS) 1.1 基本原理激光吸收光谱的基本理论已经得到研究人员的深入研究[10-11]。其基本原理可以归纳为：一束频率为ν的单色激光通过待测流场，激光光子被待测组分吸收，入射光强和出射光强满足Beer-Lambert定律：
(1)
其中I0为入射光强，I为出射光强，αν表示谱线吸收率, 其满足：
(2)
(3)
Slu表示吸收谱线的线强度, cm-1/(molecule·cm-2)；nl表示低能级粒子数密度, cm-3；L表示吸收光程长度, cm；λ0表示跃迁谱线波长, nm；Aul表示爱因斯坦系数, s-1；gu，gl分别表示上下能级简并度；kB表示Boltzmann常数；c表示光速, m/s；
(4)
其中ΔνD，ΔνL分别表示Gauss半高全宽和Lorentz半高全宽，对谱线吸收率积分，获得积分吸收率A：
(5)
基于电弧加热器内热平衡等离子体假设，通过获得待测谱线的积分吸收率可以获得待测粒子的数密度[6]。表 1给出了本实验所选原子O谱线的光谱基本参数。
| λ0/nm | Aul/106s-1 | El/cm-1 | Eu/cm-1 | gl | gu |
| 777.2 | 36.9 | 73768 | 86631 | 5 | 7 |
电弧加热器通过电加热的方式升温获得高焓气流，对于高压低速气流，可以认为加热器内等离子体处于局部热平衡，相关的研究结果验证了这一假设[12]。
基于局部热平衡等离子体假设，氧原子低能级粒子数密度和总粒子数据密度满足Boltzmann分布:
(6)
Qo表示原子O配分函数，它反映吸收跃迁对应低态粒子数占总粒子数的比值，可以用经验公式[13]表示：
(7)
同时，总粒子数密度no满足道尔顿分压定律：
(8)
基于NASA平衡计算程序CEA[9]，图 1给出了2×105Pa和6×105Pa压力下空气平衡等离子体主要组分(N, NO, N2, O, O2)摩尔分数随温度(4000~10000K)的变化趋势。基于公式(5) 和(6) 迭代求解，可以获得气流温度。
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| 图 1 (2, 6)×105Pa压力下空气平衡等离子体组分浓度随温度的变化 Fig.1 Equilibrium gas composition for air plasma at different temperatures and at 2 and 6 atmospheric pressures |
本实验是在中国航天空气动力技术研究院FD-04高焓电弧风洞上进行。如图 2所示，该电弧风洞主要组成部分包括：电弧加热器、喷管、试验段、冷却器和真空系统。光学测量布置于电弧加热器下游、喷管收缩段上游的位置，通过一套与电弧加热器匹配安装的光学测量夹片进行吸收测量，图 2左下角是光学夹片的简要示意图。通过在光学夹片对向设计通孔，并设计一体安装的石英窗口和透镜，保证入射激光的聚焦和透射激光被准确接收。光学夹片两侧水冷设计满足试验过程中光学系统安装和实验气密要求，保证电弧加热器长时间运行时光学夹片正常工作。
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| 图 2 电弧风洞及LAS光路系统示意图 Fig.2 Schematic of the experimental setup of the arc-heated wind tunnel and the LAS system |
图 2同时给出了激光吸收测量部分的示意图。LAS光学系统主要由2部分构成：(1) 光学发射端；(2) 光学接收端。光学发射端由外腔半导体激光器、激光控制器、信号发生器、单模光纤及准直透镜组成，激光控制器通过温度控制和电流控制来调谐激光器腔长，改变激光器输出波长，试验中通过信号发生器输出100Hz锯齿波信号来进行电流调谐。光学接收端由多模光纤、探测器，示波器组成。试验中采用Si探测器获得激光光谱，由多通道Tek示波器接收。试验获得的吸收信号是基于时域的结果，需将其转换为频域分布。通过F-P腔精确标定，可以获得时域-频域的转换关系。
需要强调的是，电弧加热器运行面临电磁、机械干扰的问题，因此光学元件需要进行电磁屏蔽处理，光学测量平台远离风洞试验台，通过长距离光纤进行激光传输。同时在光路安装调试过程中，为避免风洞机械振动引起的光路偏离，引起吸收信号信噪比的下降，要进行专门的防振处理。图 3给出了电弧加热器某一工况运行条件下获得的原始吸收信号，局部放大图给出了单个吸收扫描周期内的吸收信号，显示出较高的信噪比。在整个24s的采集周期内，t=0.5s之前，风洞未启动运行，之后随氩气起弧，吸收信号有一个很短的延迟，之后光谱吸收率逐渐增加并稳定，显示电弧加热器达到稳定的运行状态。
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| 图 3 单一工况下原始吸收信号，H0=15.8MJ/kg Fig.3 Raw absorption signal under an operation condition, H0=15.8MJ/kg |
本试验针对电弧加热器运行的2个状态进行光学测量，电弧加热器的运行工况如表 2所示(总焓来自于平衡声速法[14]，压力来自于试验测量，总温来自于高温平衡气流表[15])：
| Test condition | Bulk enthalpy H0/(MJ·kg-1) | Chamber pressure p/105Pa | Total temperature T0/K |
| 59-A | 17.4 | 3.2 | 6335 |
| 59-B | 15.8 | 3.1 | 5950 |
直接吸收光谱的关键在于获得准确的基线通过吸收信号(透射光强)与基线(入射光强)之比获得扫描周期内的吸收信号。本试验采用的外腔式激光器，其输出特性随调谐电流的变化呈现非单调、非线性的变化趋势，因此以往通过提取单个扫描周期内非吸收位置的数据进行多项式拟合来获取基线已不适用。试验通过记录试验前常温空气的背景吸收信号(吸收率为0)，以此为参照，通过背景吸收信号与目标周期信号光强之比获得当前周期实际的背景基线，通过此方法处理得到当前周期的光谱吸收率，能减少光谱后处理过程中引入的人为误差，得到信噪比高的的结果。同时，通过FP标准具标定单个吸收周期内时域与频域关系，可获得基于频域的吸收结果。如图 4所示，对采用上述方法获得的单周期内吸收率结果，采用Voigt线型对吸收信号进行拟合，可以获得单周期内谱线的积分吸收率，通过进一步处理可获得气流的温度和原子O的粒子数密度。
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| 图 4 单个周期吸收信号及拟合结果 Fig.4 Results of absorbance and Voigt fitting in one period |
图 5给出了电弧加热器2组工况下测量位置处等离子体气流静温随时间的变化。如图 5所示，在电弧加热器起弧阶段，气流静温迅速上升并建立平衡。对于59-A工况，稳定后气流平均静温为6057K，对应表 2中总温为6335K；对于59-B工况，稳定后气流平均静温为5843K, 对应表 2中总温为5950K。
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| 图 5 2组工况下测得的弧室等离子体气流温度 Fig.5 Measured temperature in the arc heater under two operation conditions |
图 6(a)和(b)分别给出了电弧加热器2组工况下测量位置处原子O总粒子数密度和低能级粒子数密度随时间的变化。如图 6(a)所示, 加热器启动后，原子O粒子数密度迅速上升，并迅速达到稳定，2组工况下原子氧数密度的数量级在(1.1~1.2)×1018cm-3。比较2组工况，在测量周期内，较低焓值、压力的59-B工况的原子O低能级粒子数密度要高于较高焓值、压力的59-A工况，这与图 1中平衡计算的结果是一致的。59-A、59-B工况静温在5800~6100K之间，在此温度区间内，原子O的浓度随温度、压力的增加而下降，进而引起O原子总粒子数密度的减少。图 6(b)中2典型工况下电弧加热器启动，原子O低能级粒子数密度迅速升高，并逐渐平衡。59-A工况原子O低能级粒子数密度在1.6×1010cm-3左右，59-B工况原子O低能级粒子数密度在1×1010cm-3左右，较高焓值下出现更高密度的原子O低能级粒子数密度跃迁。
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| 图 6 2个工况下测得的弧室原子O粒子密度 Fig.6 Measured number density of atomic oxygen in the arc heater under two operation conditions |
对于59-A和59-B 2组工况，气流稳定后，温度和原子氧粒子密度结果均出现小幅、规律性的周期振荡，振荡频率约为1Hz，与图 3中原始吸收信号一致。分析此振荡的原因：光学夹片采用切向进气的方式进入弧室，经逐步加热升温至稳定，因此在光学夹片内侧形成局部不稳定的薄冷流区，局部冷流区内气流温度低于弧室核心流，因而当此区域冷气通过光路时，激光光谱沿光路线积分平均测量的特性引起实际测量值被拉低，待冷气逐渐升温稳定，温度又重新升高，出现周期振荡的规律。同时，对于59-A较高焓值的运行工况，温度振荡幅度低于59-B较低焓值的状态，其原因在于59-A工况光学夹片处冷流区要小于59-B工况，与不同工况下光学夹片的进气量相关。
4 结论本研究将激光吸收光谱技术(LAS)应用于高焓电弧风洞弧室内等离子体气流诊断。针对总焓15.8MJ/kg和17.4MJ/kg 2组典型工况，获得了弧室内等离子体气流温度和原子O(5s0)低能级粒子数密度，获得如下结论：
(1) 本研究验证了激光吸收光谱对大功率电弧加热器的准确定量能力。利用LAS测量技术获得了59-A、59-B 2组工况的气流平均静温，分别为5843K和6057K, 对应高温平衡气流表获得的总温分别为5950K, 6335K；
(2) 激光吸收光谱技术验证了弧室热平衡等离子体假设的可靠性。59-A、59-B 2组工况测得了原子粒子数密度，对比基于NASA-CEA局部热平衡假设的计算结果，2组工况的粒子数密度差异吻合。
(3) 本研究工作说明激光吸收光谱诊断电弧加热器流场具有非常高的测量灵敏度。59-A、59-B工况状态接近(ΔH0:1.6MJ/kg, ΔP:0.1 atm，ΔT0＜400K)，光谱测量结果准确地获得2工况参数(温度、粒子密度)的差异，与平衡计算和接触式测量结果基本一致。
本研究验证了LAS光谱方法对高焓电弧加热器气流参数的在线诊断能力，该测量结果可以直接应用于对风洞运行参数的评估，同时为相关数值计算提供数据支撑，激光吸收光谱技术可作为电弧加热器和风洞试验舱高温等离子体气流诊断的常规测量手段。下一步工作将应用多光路-激光吸收光谱技术对电弧加热器截面气流参数进行诊断，获得弧室截面的二维定量信息。此外，该光谱诊断技术将扩展应用于高频感应风洞等其他类型的高焓电弧设备的多组分(O, CO, NO等)流场诊断。
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