基于TDLAS的电弧风洞流场Cu组分监测

陈卫，伍越，黄祯君，王磊，袁竭，胡江华，王茂刚，朱涛

中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，绵阳 621000

电弧风洞是目前唯一具有模拟飞行马赫数8～20的高超声速飞行器长时间气动热环境的地面试验设备，可将空气温度迅速加热到上万开尔文，主要用于飞行器材料防热特性或部件热结构性能的考核与鉴定，在军事和商业航天领域，包括导弹、行星再入飞行器、高超声速飞机、军事/民用航天运载工具、超燃冲压发动机等地面试验研究中得到了广泛应用和持续发展[1-3]。但是，电弧加热器中水冷铜电极的烧损一直是影响流场品质和加热器性能的重要问题。在大电流和高温环境下，铜电极通过表面原子蒸发、剪切力作用、气流引射等多种方式相互作用造成质量损失，并污染流场[4-6]。首先，流场中额外增加的铜原子电离改变了电弧等离子体流场的导电特性[7]，影响“黑障”通信问题研究[8]。其次，流场中大量的铜原子/离子改变了流场组分，加剧了地面试验与实际飞行的天地差异，影响对防热材料烧蚀和表面催化等气动热效应的研究[9-10]。再次，电极的质量损失也严重制约了电弧风洞的长时间试验能力和自身使用寿命。因此，加强流场中铜原子的实时监测，既是加强流场分析与建模，以提高高超声速地面试验精细化的需要，也是分析电极烧蚀机理，监测电弧加热设备运行状态的需要。

以往对铜污染和电极烧蚀研究的测量主要限于称重法和发射光谱法[11-12]，2004年，美国国家航空航天局(NASA)阿姆斯研究中心和斯坦福大学的研究人员开始采用可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术对电弧加热设备中铜原子(793.3 nm)含量进行了监测研究[13]，而国内尚未见相关报导。称重法通过称量烧蚀前后的电极质量变化来计算铜的烧损量，方法简单，但不能进行过程测量，对电极烧蚀机理研究作用有限。而且为了称量电极质量，需要完全拆卸电弧加热设备，实际中不便于操作。发射光谱方法则由于受光学玻璃窗口和辐射光发散角度的影响，需要利用其他辐射谱线对铜原子辐射谱线进行强度校正，而这种定量校正往往是非常困难的[13]。TDLAS技术以气体分子的光谱共振吸收为原理，利用窄线宽的波长可调谐激光器对待测气体分子某一根或几根谱线进行扫描测量[14]。与光谱仪相比，激光器具有极高的光谱分辨率，能同时获得谱线强度和谱线宽度等信息，比发射光谱技术更适合定量研究。并结合各种调制技术手段，可进一步提高微量组分的测量极限[15]。虽然TDLAS技术在H2O、O2、CO2等分子气体诊断中已经应用非常成熟，但由于在近红外及以下波段的可调谐激光器选择性非常少，使得其在高温气体原子组分诊断应用中受到了极大限制。国际上，美国NASA阿姆斯研究中心在其60 MW电弧风洞中成功实现了O、N、Ar、Cu、K等多种原子的TDLAS定量测量[13,16-17]，日本也在其高频感应等离子高焓风洞中进行了多次针对O和Ar原子的TDLAS试验[18-20]。在国内，仅有中国航天空气动力技术研究院和中国科学院力学所共同合作，基于O原子777.19 nm谱线实现了TDLAS技术在电弧风洞内外流场诊断中的应用[21-22]。

1 TDLAS测量Cu浓度基本原理

根据Beer-Lambert定律[23]，可调谐激光被待测组分吸收后，透射光信号强度为

I(v)=I0(v)exp[-α·φ(v-v0)·L]

(1)

(2)

式中：λ0=1/v0，cm；gk和gi分别为上下能级的简并度；kB为玻尔兹曼常数，J/K；c为真空中光速，cm/s；h为普朗克常数，J·s；ΔEki为上下能级能量差，cm-1；T为电子激发温度，K。本文采用的Cu原子809.25 nm谱线的相关参数见表1[27]。

表1 Cu原子809.25 nm谱线的光谱参数[27]Table 1 Spectral line parameters of Cu atom at 809.25 nm[27]

在热力学平衡条件下，低能级数密度ni与总原子数密度n0之间满足玻尔兹曼关系[28]：

(3)

图1 考虑玻尔兹曼分布和电离后Cu原子低能态占比与温度的关系Fig.1 Fraction of lower state to total Cu species at different temperatures considering Boltzmann distribution and ionization

2 Cu组分含量监测试验方法

该次试验在中国空气动力研究与发展中心的20 MW片式电弧风洞上开展。电弧风洞的核心设备就是电弧加热器，起到将上游的常温高压空气瞬时加热到数千甚至上万开尔文的作用，并通过高超声速喷管产生高速高焓气流用于模型试验。由于气流经过喷管后，温度(静温)和压力(静压)均急剧下降，不利于测量到Cu原子的吸收信号，因此本试验将电弧加热器内部流场气体作为待测气体，测量位置处于阴极与冷气混合室之间，如图2(a)所示。加热器工作时，在阴极和阳极之间持续产生电弧，为避免弧根固定在电极上某一位置造成严重电极烧损，电弧在磁旋和气旋等方式作用下高速旋转，同时电极也以高压水冷方式进行冷却保护。流场中的铜便主要来自于电极的烧损，而电极烧损受电流加热、流场剪切力、等离子体碰撞、弧根抖动、气流引射等多种因素综合影响，机理复杂。由于加热器内部为高压高温环境，为了将激光顺利穿透内流场，特别设计了如图2(b)所示的光学测量片。设计的光学测量片具有相互垂直的两路激光通道，在本次试验中仅利用了其中的一路，通光孔径为∅4 mm。假设气体吸收路径长度等于测量片内孔直径∅100 mm。

每个光学转接头内部包含一柱状蓝宝石玻璃，用于传输激光的同时，也用于密封加热器内的高温高压气体，并且转接头设计为内SM1螺纹，便于与光纤准直器(Thorlabs,F280APC-780)连接。激光出射端准直器和接受端准直器均通过多模光纤分别与可调谐激光器(Nanoplus,DFB)和光电探测器(Thorlabs,PDA100A-EC)连接。由于原子吸收具有非常低的饱和强度[13,26]，为避免吸收饱和，试验中除采用多模光纤(芯径0.6 mm)进行激光传输外，还对激光器的出射光强进行了部分衰减，使得出射光功率密度约为0.02 mW/mm2，同时为了尽量提高测量信噪比，透射光进入探测器之前进行了适当滤光。激光器的输出波长在试验前通过波长计进行了准确测量，试验中以周期为0.25 s的锯齿波进行波长扫描，采用直接吸收法对CuⅠ的809.25 nm吸收谱线进行测量。

为了反应电极烧蚀的过程变化，结合电弧加热器运行特点，采用固定电压和气体流量、改变电流的工作方式，在同一车次中设计了如表2所示的4个状态台阶，其中状态I属于起弧和流场建立阶段，其在表中的状态参数读取自该阶段后期某一时刻。表2中的电压、气流量、电流和弧室压力参数均来自于实测，焓值采用能量法[30]计算得到，总温根据焓值和压力通过查表[31]得到。

表2 试验中电弧加热器运行参数Table 2 Running parameters of arc-heater in test

3 试验结果与分析

线性调谐激光波长(即波长扫描)，当其接近Cu原子跃迁谱线时，便发生共振吸收。图3中黑色点画线表示的就是在一个波长扫描周期内光电探测器的输出信号(即式(1)中的I(v))，可以看到明显的吸收凹陷。由于在波长扫描时，激光功率也会发生变化，甚至可能是非线性变化，为了准确提取吸收系数，基线(即I0(v))的测量非常重要。试验中利用电弧加热器点火之前和熄火之后的多次信号进行平均得到I0(v)，多次平均可以提高I0(v)的信噪比。这样使得在测量I0(v)和I(v)时，除激光穿透的气体不一样之外，激光器状态、加热器振动、光路传输等因素基本一致。吸收强度可以通过式(1)按-In(I(v)/I0(v))操作进行基线校正后得到，即图3中实线表示，实点表示按Voigt线型函数拟合曲线。

图3 试验中代表性的Cu原子TDLAS吸收信号Fig.3 Representative TDLAS signal of copperatom in test

从图4中可以看到：① 在台阶I的前期，即起弧和流场建立阶段(弧室压力在急剧上升)，TDLAS信号强度起伏非常剧烈，甚至出现了一次高达70.8%的极强吸收，反应出此时电极烧损相对更加严重，而且十分不稳定；② 在每次变状态(即图中电流或功率跃变)时，TDLAS信号会阶跃式突然增强，一旦状态稳定后信号强度又出现明显回落，而在不同功率台阶中TDLAS信号强度相差不大。粗略概算，状态跃变时的信号强度达到状态稳定时的2倍左右。TDLAS信号突变，反应出在状态跃变时电极烧损突然增强，这可能是由于状态的突然改变使得原本相对稳定的电弧出现剧烈抖动所致。当状态稳定时，电弧在磁旋和气旋作用下以大约200～400 Hz频率围绕电极旋转，并且弧根与电极表面之间也保持着一定的间距[11]，因此对电极的加热比较均匀，同时电极的热量大部分传导进入了冷却水系统。而当电弧剧烈抖动时，电弧旋转有所紊乱，致使其在电极某一位置滞留时间相对变长，同时弧根也可能更靠近电极表面，造成电极局部热流剧增，并且来不及被冷却水带走，从而突然增大了电极的烧损。之前研究表明，当局域热流低于40 MW/m2时，电极烧蚀量较小，但是随着电弧的扰动，瞬时热传导急剧升高，导致严重烧蚀[11]。

图4 测量结果Fig.4 Measuring results

文献[11]报道了采用称重法对美国空军阿诺德工程发展中心(AEDC)H1电弧加热器电极烧损的研究情况，在弧室压力50～100 atm (1 atm=1.013 25×105Pa)、焓值4.6 ～7.0 MJ/kg、电流1 000 A 的状态下，得到流场中铜组分质量分数约为200×10-6，电极烧蚀率约为 2.6×10-4g/C。

表3 每个状态下Cu组分含量与电极烧蚀的测量平均值Table 3 Average concentration of Cu species and erosion of electrodes in each running state

而文献[13]报道了采用TDLAS方法对美国NASA 60 MW级电弧加热器内流场中铜组分诊断情况，在运行功率21.5 MW时，得到铜组分数密度约8.31×1013cm-3。考虑到设备和状态的差异性，认为本文所测得结果是可信的。通过表3还可以看到，在4个状态台阶中，虽然电流不同，但电极烧蚀率差别不大，平均值为1.65×10-5g/C。这也符合电极烧蚀与运行电流成正比的定性认识。

4 结 论

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术对电弧风洞流场中Cu组分污染和电弧加热器电极烧蚀情况进行了实时监测研究，弥补了以往采用称重法而不能进行过程分析的缺陷，检验了TDLAS技术在高温流场诊断中的应用前景。通过研究，得到如下结论：

1)在高温流场建立阶段以及功率跃变时，Cu原子吸收信号会呈阶跃式增高，然后迅速回落，状态跃变时的信号强度达到状态稳定时的2倍左右，表明电弧的抖动会导致电极烧蚀严重加剧。

2)在加热器内部温度等于总温的近似下，估算了4个典型试验状态下流场中Cu组分(包括Cu的原子态和离子态)数密度在1014cm-3量级、质量分数约(70～130)×10-6、平均电极烧蚀率约1.65×10-5g/C左右，并且电极烧蚀率在不同状态下差异不大。

本试验研究提高了电弧风洞非接触测量能力，并较为定量地测量了流场中因水冷铜电极烧蚀导致的电弧风洞高焓流场污染程度，可以为量化分析Cu组分污染对防热材料的催化效应提供支撑，有利于高超声速地面试验流场与实际飞行环境的天地差异研究。更为重要的是，通过实时监测，对电弧加热器运行过程中电极烧蚀情况有了更直观的了解，有利于电极烧蚀机理分析研究，并且为设备运行状况监测提供了新的手段。但是，电弧加热器中电极的烧蚀是非常复杂的过程，各种因素的影响还需要通过更多试验进行研究。