基于TDLAS的電弧風洞流場Cu組分監測

陳衛，伍越，黃禎君，王磊，袁竭，胡江華，王茂剛，朱濤

中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000

電弧風洞是目前唯一具有模擬飛行馬赫數8～20的高超聲速飛行器長時間氣動熱環境的地面試驗設備，可將空氣溫度迅速加熱到上萬開爾文，主要用于飛行器材料防熱特性或部件熱結構性能的考核與鑒定，在軍事和商業航天領域，包括導彈、行星再入飛行器、高超聲速飛機、軍事/民用航天運載工具、超燃沖壓發動機等地面試驗研究中得到了廣泛應用和持續發展[1-3]。但是，電弧加熱器中水冷銅電極的燒損一直是影響流場品質和加熱器性能的重要問題。在大電流和高溫環境下，銅電極通過表面原子蒸發、剪切力作用、氣流引射等多種方式相互作用造成質量損失，并污染流場[4-6]。首先，流場中額外增加的銅原子電離改變了電弧等離子體流場的導電特性[7]，影響“黑障”通信問題研究[8]。其次，流場中大量的銅原子/離子改變了流場組分，加劇了地面試驗與實際飛行的天地差異，影響對防熱材料燒蝕和表面催化等氣動熱效應的研究[9-10]。再次，電極的質量損失也嚴重制約了電弧風洞的長時間試驗能力和自身使用壽命。因此，加強流場中銅原子的實時監測，既是加強流場分析與建模，以提高高超聲速地面試驗精細化的需要，也是分析電極燒蝕機理，監測電弧加熱設備運行狀態的需要。

以往對銅污染和電極燒蝕研究的測量主要限于稱重法和發射光譜法[11-12]，2004年，美國國家航空航天局(NASA)阿姆斯研究中心和斯坦福大學的研究人員開始采用可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技術對電弧加熱設備中銅原子(793.3 nm)含量進行了監測研究[13]，而國內尚未見相關報導。稱重法通過稱量燒蝕前后的電極質量變化來計算銅的燒損量，方法簡單，但不能進行過程測量，對電極燒蝕機理研究作用有限。而且為了稱量電極質量，需要完全拆卸電弧加熱設備，實際中不便于操作。發射光譜方法則由于受光學玻璃窗口和輻射光發散角度的影響，需要利用其他輻射譜線對銅原子輻射譜線進行強度校正，而這種定量校正往往是非常困難的[13]。TDLAS技術以氣體分子的光譜共振吸收為原理，利用窄線寬的波長可調諧激光器對待測氣體分子某一根或幾根譜線進行掃描測量[14]。與光譜儀相比，激光器具有極高的光譜分辨率，能同時獲得譜線強度和譜線寬度等信息，比發射光譜技術更適合定量研究。并結合各種調制技術手段，可進一步提高微量組分的測量極限[15]。雖然TDLAS技術在H2O、O2、CO2等分子氣體診斷中已經應用非常成熟，但由于在近紅外及以下波段的可調諧激光器選擇性非常少，使得其在高溫氣體原子組分診斷應用中受到了極大限制。國際上，美國NASA阿姆斯研究中心在其60 MW電弧風洞中成功實現了O、N、Ar、Cu、K等多種原子的TDLAS定量測量[13,16-17]，日本也在其高頻感應等離子高焓風洞中進行了多次針對O和Ar原子的TDLAS試驗[18-20]。在國內，僅有中國航天空氣動力技術研究院和中國科學院力學所共同合作，基于O原子777.19 nm譜線實現了TDLAS技術在電弧風洞內外流場診斷中的應用[21-22]。

1 TDLAS測量Cu濃度基本原理

根據Beer-Lambert定律[23]，可調諧激光被待測組分吸收后，透射光信號強度為

I(v)=I0(v)exp[-α·φ(v-v0)·L]

(1)

(2)

式中：λ0=1/v0，cm；gk和gi分別為上下能級的簡并度；kB為玻爾茲曼常數，J/K；c為真空中光速，cm/s；h為普朗克常數，J·s；ΔEki為上下能級能量差，cm-1；T為電子激發溫度，K。本文采用的Cu原子809.25 nm譜線的相關參數見表1[27]。

表1 Cu原子809.25 nm譜線的光譜參數[27]Table 1 Spectral line parameters of Cu atom at 809.25 nm[27]

在熱力學平衡條件下，低能級數密度ni與總原子數密度n0之間滿足玻爾茲曼關系[28]：

(3)

圖1 考慮玻爾茲曼分布和電離后Cu原子低能態占比與溫度的關系Fig.1 Fraction of lower state to total Cu species at different temperatures considering Boltzmann distribution and ionization

2 Cu組分含量監測試驗方法

該次試驗在中國空氣動力研究與發展中心的20 MW片式電弧風洞上開展。電弧風洞的核心設備就是電弧加熱器，起到將上游的常溫高壓空氣瞬時加熱到數千甚至上萬開爾文的作用，并通過高超聲速噴管產生高速高焓氣流用于模型試驗。由于氣流經過噴管后，溫度(靜溫)和壓力(靜壓)均急劇下降，不利于測量到Cu原子的吸收信號，因此本試驗將電弧加熱器內部流場氣體作為待測氣體，測量位置處于陰極與冷氣混合室之間，如圖2(a)所示。加熱器工作時，在陰極和陽極之間持續產生電弧，為避免弧根固定在電極上某一位置造成嚴重電極燒損，電弧在磁旋和氣旋等方式作用下高速旋轉，同時電極也以高壓水冷方式進行冷卻保護。流場中的銅便主要來自于電極的燒損，而電極燒損受電流加熱、流場剪切力、等離子體碰撞、弧根抖動、氣流引射等多種因素綜合影響，機理復雜。由于加熱器內部為高壓高溫環境，為了將激光順利穿透內流場，特別設計了如圖2(b)所示的光學測量片。設計的光學測量片具有相互垂直的兩路激光通道，在本次試驗中僅利用了其中的一路，通光孔徑為?4 mm。假設氣體吸收路徑長度等于測量片內孔直徑?100 mm。

每個光學轉接頭內部包含一柱狀藍寶石玻璃，用于傳輸激光的同時，也用于密封加熱器內的高溫高壓氣體，并且轉接頭設計為內SM1螺紋，便于與光纖準直器(Thorlabs,F280APC-780)連接。激光出射端準直器和接受端準直器均通過多模光纖分別與可調諧激光器(Nanoplus,DFB)和光電探測器(Thorlabs,PDA100A-EC)連接。由于原子吸收具有非常低的飽和強度[13,26]，為避免吸收飽和，試驗中除采用多模光纖(芯徑0.6 mm)進行激光傳輸外，還對激光器的出射光強進行了部分衰減，使得出射光功率密度約為0.02 mW/mm2，同時為了盡量提高測量信噪比，透射光進入探測器之前進行了適當濾光。激光器的輸出波長在試驗前通過波長計進行了準確測量，試驗中以周期為0.25 s的鋸齒波進行波長掃描，采用直接吸收法對CuⅠ的809.25 nm吸收譜線進行測量。

為了反應電極燒蝕的過程變化，結合電弧加熱器運行特點，采用固定電壓和氣體流量、改變電流的工作方式，在同一車次中設計了如表2所示的4個狀態臺階，其中狀態I屬于起弧和流場建立階段，其在表中的狀態參數讀取自該階段后期某一時刻。表2中的電壓、氣流量、電流和弧室壓力參數均來自于實測，焓值采用能量法[30]計算得到，總溫根據焓值和壓力通過查表[31]得到。

表2 試驗中電弧加熱器運行參數Table 2 Running parameters of arc-heater in test

3 試驗結果與分析

線性調諧激光波長(即波長掃描)，當其接近Cu原子躍遷譜線時，便發生共振吸收。圖3中黑色點畫線表示的就是在一個波長掃描周期內光電探測器的輸出信號(即式(1)中的I(v))，可以看到明顯的吸收凹陷。由于在波長掃描時，激光功率也會發生變化，甚至可能是非線性變化，為了準確提取吸收系數，基線(即I0(v))的測量非常重要。試驗中利用電弧加熱器點火之前和熄火之后的多次信號進行平均得到I0(v)，多次平均可以提高I0(v)的信噪比。這樣使得在測量I0(v)和I(v)時，除激光穿透的氣體不一樣之外，激光器狀態、加熱器振動、光路傳輸等因素基本一致。吸收強度可以通過式(1)按-In(I(v)/I0(v))操作進行基線校正后得到，即圖3中實線表示，實點表示按Voigt線型函數擬合曲線。

圖3 試驗中代表性的Cu原子TDLAS吸收信號Fig.3 Representative TDLAS signal of copperatom in test

從圖4中可以看到：① 在臺階I的前期，即起弧和流場建立階段(弧室壓力在急劇上升)，TDLAS信號強度起伏非常劇烈，甚至出現了一次高達70.8%的極強吸收，反應出此時電極燒損相對更加嚴重，而且十分不穩定；② 在每次變狀態(即圖中電流或功率躍變)時，TDLAS信號會階躍式突然增強，一旦狀態穩定后信號強度又出現明顯回落，而在不同功率臺階中TDLAS信號強度相差不大。粗略概算，狀態躍變時的信號強度達到狀態穩定時的2倍左右。TDLAS信號突變，反應出在狀態躍變時電極燒損突然增強，這可能是由于狀態的突然改變使得原本相對穩定的電弧出現劇烈抖動所致。當狀態穩定時，電弧在磁旋和氣旋作用下以大約200～400 Hz頻率圍繞電極旋轉，并且弧根與電極表面之間也保持著一定的間距[11]，因此對電極的加熱比較均勻，同時電極的熱量大部分傳導進入了冷卻水系統。而當電弧劇烈抖動時，電弧旋轉有所紊亂，致使其在電極某一位置滯留時間相對變長，同時弧根也可能更靠近電極表面，造成電極局部熱流劇增，并且來不及被冷卻水帶走，從而突然增大了電極的燒損。之前研究表明，當局域熱流低于40 MW/m2時，電極燒蝕量較小，但是隨著電弧的擾動，瞬時熱傳導急劇升高，導致嚴重燒蝕[11]。

圖4 測量結果Fig.4 Measuring results

文獻[11]報道了采用稱重法對美國空軍阿諾德工程發展中心(AEDC)H1電弧加熱器電極燒損的研究情況，在弧室壓力50～100 atm (1 atm=1.013 25×105Pa)、焓值4.6 ～7.0 MJ/kg、電流1 000 A 的狀態下，得到流場中銅組分質量分數約為200×10-6，電極燒蝕率約為 2.6×10-4g/C。

表3 每個狀態下Cu組分含量與電極燒蝕的測量平均值Table 3 Average concentration of Cu species and erosion of electrodes in each running state

而文獻[13]報道了采用TDLAS方法對美國NASA 60 MW級電弧加熱器內流場中銅組分診斷情況，在運行功率21.5 MW時，得到銅組分數密度約8.31×1013cm-3?？紤]到設備和狀態的差異性，認為本文所測得結果是可信的。通過表3還可以看到，在4個狀態臺階中，雖然電流不同，但電極燒蝕率差別不大，平均值為1.65×10-5g/C。這也符合電極燒蝕與運行電流成正比的定性認識。

4 結 論

采用可調諧二極管激光吸收光譜技術對電弧風洞流場中Cu組分污染和電弧加熱器電極燒蝕情況進行了實時監測研究，彌補了以往采用稱重法而不能進行過程分析的缺陷，檢驗了TDLAS技術在高溫流場診斷中的應用前景。通過研究，得到如下結論：

1)在高溫流場建立階段以及功率躍變時，Cu原子吸收信號會呈階躍式增高，然后迅速回落，狀態躍變時的信號強度達到狀態穩定時的2倍左右，表明電弧的抖動會導致電極燒蝕嚴重加劇。

2)在加熱器內部溫度等于總溫的近似下，估算了4個典型試驗狀態下流場中Cu組分(包括Cu的原子態和離子態)數密度在1014cm-3量級、質量分數約(70～130)×10-6、平均電極燒蝕率約1.65×10-5g/C左右，并且電極燒蝕率在不同狀態下差異不大。

本試驗研究提高了電弧風洞非接觸測量能力，并較為定量地測量了流場中因水冷銅電極燒蝕導致的電弧風洞高焓流場污染程度，可以為量化分析Cu組分污染對防熱材料的催化效應提供支撐，有利于高超聲速地面試驗流場與實際飛行環境的天地差異研究。更為重要的是，通過實時監測，對電弧加熱器運行過程中電極燒蝕情況有了更直觀的了解，有利于電極燒蝕機理分析研究，并且為設備運行狀況監測提供了新的手段。但是，電弧加熱器中電極的燒蝕是非常復雜的過程，各種因素的影響還需要通過更多試驗進行研究。