叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统
本专利技术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OI777.19nm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。
技术介绍
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SuhongKim等利用OI(777nm),NI(856nm),Ar(772nm)以及Cu(793nm)四种组分的谱线，开展对NASA60MW叠片式电弧风洞(IHF,InteractiveHeatingFacility)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OI(777nm)谱线进一步开展了对NASAIHF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,InductivelyCoupledPlasma)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。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：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。本专利技术的技术方案：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。本专利技术与现有技术相比的优点如下：(1)本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾徽，欧东斌，陈连忠，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11