林 鑫，陳連忠，董永暉，歐東斌，＊，李 飛，余西龍

發(fā)射光譜診斷電弧加熱器漏水故障的試驗(yàn)研究

林 鑫1，陳連忠1，董永暉1，歐東斌1，＊，李 飛2，余西龍2

（1.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074；2.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

電弧加熱器是飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)地面考核試驗(yàn)的首選設(shè)備。電弧加熱器在運(yùn)行時(shí)，由于其電極工作在高溫環(huán)境，普遍采用高壓水進(jìn)行冷卻，試驗(yàn)中存在著由于電極燒穿漏水導(dǎo)致加熱器嚴(yán)重?zé)龘p的風(fēng)險(xiǎn)。由于高溫氣流的惡劣環(huán)境，目前尚無有效監(jiān)測(cè)手段。本文作者建立一套以氫原子Hα（656.28nm）和氧原子（777.19nm）發(fā)射譜線作為目標(biāo)譜線的發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過分析電弧加熱器故障條件和正常運(yùn)行下高溫流場(chǎng)中的發(fā)射光譜特性，診斷某高焓電弧加熱器因燒蝕出現(xiàn)的電極漏水故障，并在考慮溫度誤差的前提下對(duì)該光譜測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量靈敏度進(jìn)行評(píng)估，獲得了A、B兩種試驗(yàn)狀態(tài)下的漏水探測(cè)極限：A狀態(tài)下約為1.85～0.94g／s；B狀態(tài)下，2.12～0.98g／s。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)射光譜應(yīng)用于電弧加熱器漏水故障診斷是切實(shí)可行的。

電弧加熱器；氫原子；氧原子；發(fā)射光譜；漏水檢測(cè)

0 引 言

電弧加熱器是研究飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)在真實(shí)高超聲速飛行條件下，氣動(dòng)熱問題的重要試驗(yàn)平臺(tái)，其工作狀態(tài)和氣流品質(zhì)直接決定了試驗(yàn)的可靠性［1－3］。由于電弧加熱器電極工作在高溫環(huán)境下，普遍采用高壓水對(duì)電極進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。電弧加熱器內(nèi)的高溫氣體會(huì)引發(fā)電極外表面的燒蝕，若電極燒蝕量過大導(dǎo)致電極燒穿，高壓冷卻水會(huì)迅速進(jìn)入電弧加熱器，造成加熱器內(nèi)部短路進(jìn)而導(dǎo)致其燒蝕急速擴(kuò)大，在沒有及時(shí)停車的前提下甚至?xí)斐杉訜崞鳠龤?，這不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還嚴(yán)重影響了試驗(yàn)的進(jìn)度［4］。除此之外，加熱器本身冷卻水道加工精度不夠或者冷卻水管堵塞等問題也極易導(dǎo)致加熱器局部熱燒蝕嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致加熱器燒穿漏水。在上述背景之下，通過有效測(cè)量手段對(duì)電弧加熱器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確判斷電極微量漏水時(shí)刻從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的快速關(guān)停是非常有意義的。分析以往電弧加熱器故障的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的壁面壓力傳感器、電流波動(dòng)監(jiān)測(cè)、流場(chǎng)錄像等監(jiān)測(cè)手段由于反應(yīng)滯后，靈敏度低，對(duì)精確判斷微量漏水時(shí)刻及評(píng)估漏水量無能為力，往往是發(fā)現(xiàn)漏水為時(shí)已晚，加熱器已嚴(yán)重?zé)龘p。由此可見，電弧加熱器試驗(yàn)時(shí)急需更為準(zhǔn)確、可靠、有效的在線監(jiān)測(cè)手段，而大功率電弧加熱器的苛刻運(yùn)行條件要求非侵入式測(cè)量技術(shù)，因此各種光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)成為首選［5－8］。

發(fā)射光譜具有高靈敏度、高時(shí)空分辨率等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際上診斷高溫氣流參數(shù)最直接有效的方法之一，被廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、低溫等離子體、行星再入等領(lǐng)域［9－13］。不同于其他的光譜診斷技術(shù)，如吸收光譜、相干反斯托克斯拉曼光譜、激光誘導(dǎo)熒光等，發(fā)射光譜技術(shù)是建立在高溫氣體分子（原子）自發(fā)輻射的基礎(chǔ)上，測(cè)量核心設(shè)備僅為一臺(tái)光譜儀，光路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)中比較容易實(shí)現(xiàn)。近十幾年，隨著高分辨率、高性能光譜測(cè)試系統(tǒng)的出現(xiàn)以及光纖耦合技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，國(guó)外科研人員在應(yīng)用發(fā)射光譜技術(shù)測(cè)量電弧加熱器溫度分布及試驗(yàn)?zāi)Ｐ婉v點(diǎn)輻射熱流等方面也有所嘗試［14－16］。但將其應(yīng)用于加熱器的健康運(yùn)行監(jiān)測(cè)，特別是判斷電極瞬態(tài)漏水方面，由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、漏水判據(jù)設(shè)定，特別是大功率加熱器試驗(yàn)調(diào)試等方面均較為困難，在國(guó)內(nèi)外均未見相關(guān)報(bào)道。

本文為發(fā)射光譜技術(shù)應(yīng)用于大功率電弧加熱器健康診斷、特別是電極漏水判定的初步探索。在電弧加熱器運(yùn)行過程中，弧室內(nèi)氣體靜溫高達(dá)6000～9000K，在如此的高溫環(huán)境下，O2完全離解［4］。當(dāng)有微量水進(jìn)入加熱器內(nèi)會(huì)瞬間離解生成H原子，因此是否探測(cè)到H原子輻射可作為電極燒穿漏水的直接判據(jù)。本文以O(shè)原子（777.19nm）和H原子Hα（656.28nm）發(fā)射譜線作為目標(biāo)譜線，設(shè)計(jì)一種安裝于加熱器出口處的新型光學(xué)測(cè)量夾片收集發(fā)光，建立原子發(fā)射光譜漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過分析電弧加熱器漏水故障條件和正常運(yùn)行下高溫流場(chǎng)中的發(fā)射光譜特性，設(shè)定漏水判定條件，診斷某電弧加熱器電極漏水瞬態(tài)故障，并結(jié)合試驗(yàn)狀態(tài)（總焓、進(jìn)氣量）對(duì)該系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度進(jìn)行定量分析。以上工作為提高用于電弧加熱器漏水診斷的發(fā)射光譜技術(shù)可靠性及靈敏度奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)方案如圖1所示，該試驗(yàn)是在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院某電弧風(fēng)洞上進(jìn)行。該電弧風(fēng)洞主要由電弧加熱器、噴管、試驗(yàn)段、冷卻器和真空系統(tǒng)所組成。試驗(yàn)中所用的電弧加熱器由首尾兩端電極區(qū)的陰極、陽極，以及位于電極區(qū)中間數(shù)百個(gè)具有獨(dú)立高壓冷卻水通道及進(jìn)氣通道的壓縮片疊加構(gòu)成。試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)加載在電弧加熱器電極的輸入電流、電壓以及氣體流量來確定加熱器的試驗(yàn)狀態(tài)。

圖1 電弧風(fēng)洞及發(fā)射光譜測(cè)量系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental set－up of the arc－h(huán)eated wind tunnel and the emission spectroscopy measurement system

圖1 左側(cè)給出了該光學(xué)測(cè)量夾片的細(xì)節(jié)展示，由圖可見，測(cè)量夾片安裝于噴管喉道上游、緊挨前電極出口位置，中間裝嵌一個(gè)直徑4.0mm的石英窗口，窗口后的透鏡將高溫氣體自發(fā)輻射發(fā)光聚焦于一根15m長(zhǎng)，芯徑0.8mm的石英光纖內(nèi)，光纖將光傳導(dǎo)到光譜儀并進(jìn)行分光測(cè)量。在上述的窗口－透鏡－光纖的結(jié)構(gòu)下，實(shí)際采集的發(fā)光為直徑4mm，長(zhǎng)度為弧室內(nèi)徑的一個(gè)圓柱形區(qū)域的氣體發(fā)光，并疊加對(duì)面壁面的固體發(fā)光。光譜測(cè)量采用美國(guó)海洋光學(xué)公司的QE65PRO型高靈敏度光譜儀，配備1024×58像素的面陣CCD，光譜測(cè)量范圍為280～980nm，在選用10μm入射狹縫的基礎(chǔ)上，光譜分辨率Δλ＝1.3nm，Voigt線型。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及獲得足夠的信噪比，光譜儀曝光時(shí)間設(shè)為20ms，即50Hz的測(cè)量頻率。該光譜測(cè)量系統(tǒng)的波長(zhǎng)及強(qiáng)度響應(yīng)系數(shù)在試驗(yàn)前利用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)汞燈光源（Ocean optics HG－1）和一臺(tái)鎢燈光源（Oriel 63945）進(jìn)行標(biāo)定。發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的軟件實(shí)時(shí)分析處理，當(dāng)風(fēng)洞出現(xiàn)異常情況時(shí)，便于風(fēng)洞運(yùn)行人員及時(shí)關(guān)停整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)。

需要說明的是：在今后多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，漏水判據(jù)逐漸完善的基礎(chǔ)上，該分析軟件可與電弧風(fēng)洞的控制系統(tǒng)進(jìn)行連鎖，從而可實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量系統(tǒng)報(bào)警后整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)快速關(guān)停（約為0.1s），將加熱器損失降到最低。

本文給出2次漏水故障時(shí)的光譜測(cè)量結(jié)果，電弧加熱器狀態(tài)參數(shù)如表1所示（試驗(yàn)氣體為空氣），其中總焓H0由平衡聲速流法計(jì)算得到［17］；空氣流量G通過測(cè)量集氣管壓力及對(duì)應(yīng)聲速噴嘴尺寸計(jì)算得到；總溫T0由TN D－1333查表得到［18］。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)Table 1 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2（a）和（b）分別為A、B狀態(tài)下光譜儀采集到的電弧加熱器漏水初始時(shí)刻和漏水前正常運(yùn)行下的原始數(shù)據(jù)。可見，采集的光譜可認(rèn)為是線狀譜和寬帶譜的疊加，其中線狀譜為原子譜線，如圖中標(biāo)記的H、N、O和Cu原子譜線等。基線部分的寬帶譜為壁面固體發(fā)光與等離子體復(fù)合產(chǎn)生的寬帶輻射光的疊加，為方便比較將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

由圖2可知，與電弧加熱器正常狀態(tài)下的發(fā)射光譜相比，漏水初始時(shí)刻有明顯的H原子譜線，另外整個(gè)基線部分，特別是777.19nm處O原子譜線強(qiáng)度基本沒有變化。上述現(xiàn)象說明，在漏水初始時(shí)刻，進(jìn)入電弧加熱器內(nèi)的水分子在如此的高焓條件下（見表1）瞬間離解生成H原子和O原子，另外由于漏水前期，漏水量非常小，對(duì)加熱器的運(yùn)行工況尚未有明顯影響（除了基線部分及O原子譜線強(qiáng)度沒有明顯變化外，該時(shí)刻壓力及電流參數(shù)沒有出現(xiàn)異常）。

圖2 發(fā)射光譜原始數(shù)據(jù)示意圖Fig.2 Corresponding raw test spectra under two conditions

為了定量分析O原子和H原子譜線強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，需定義其相對(duì)強(qiáng)度。在本文數(shù)據(jù)處理中，對(duì)于O原子和H原子相對(duì)強(qiáng)度采用了不同的定義方式。對(duì)于O原子，由于其整個(gè)試驗(yàn)過程中一直存在且輻射強(qiáng)度很強(qiáng)，同時(shí)其強(qiáng)度變化也非常直觀地反映加熱器運(yùn)行情況，因此試驗(yàn)中將其777.19nm原子譜線輻射強(qiáng)度定義為其相對(duì)強(qiáng)度。原子譜線輻射強(qiáng)度為對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行基線擬合進(jìn)而求積分獲得，結(jié)合試驗(yàn)前對(duì)光譜函數(shù)的標(biāo)定（Δλ＝1.3nm，Voigt線型），數(shù)據(jù)處理中采用Voigt線型擬合。

對(duì)于H原子，由于其只在電極漏水時(shí)出現(xiàn)，因此若采用O原子輻射強(qiáng)度的處理方式是不合理的，此外為了排除背景輻射、電流波動(dòng)、進(jìn)氣量波動(dòng)、臺(tái)階變換等帶來的問題，將H原子相對(duì)強(qiáng)度定義為中心波長(zhǎng)是656.28nm寬帶光譜強(qiáng)度與鄰近背景光譜強(qiáng)度的比值H656／Hbg.（積分帶寬均為8nm），即H656為652.28～660.28nm的光譜強(qiáng)度積分值，背景光譜強(qiáng)度選擇不受原子線干擾且與原子譜線相近的寬帶光譜區(qū)域，根據(jù)圖2，選擇637nm為背景寬帶譜中心波長(zhǎng)，即Hbg.為634～641nm的光譜強(qiáng)度積分值。圖3和4分別為2次試驗(yàn)獲得的H原子和O原子相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化圖，由于試驗(yàn)中光譜儀觸發(fā)和電弧加熱器的同步是通過手動(dòng)觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的，因此2次試驗(yàn)觸發(fā)時(shí)間并不相同，即光譜儀采集到的電弧加熱器啟動(dòng)時(shí)刻不同。

圖3 A狀態(tài)下原子譜線相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.3 Evolutions of atomic spectra relative intensities under test condition A

圖4 B狀態(tài)下原子譜線相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.4 Evolutions of atomic spectra relative intensities under test condition B

由圖3可知，A狀態(tài)下，加熱器從光譜儀采集時(shí)鐘的0.5s左右開始啟動(dòng)，2s左右空氣開始進(jìn)入，隨之O原子輻射出現(xiàn)，伴隨著電流和空氣進(jìn)氣量的逐漸增大，O原子輻射逐漸增強(qiáng)，并于10.5s后保持穩(wěn)定，一直持續(xù)到12.4s，O原子輻射沒有發(fā)生異常現(xiàn)象。對(duì)于H原子輻射而言，在12.4s之前，雖然背景輻射逐步增強(qiáng)，但其H原子相對(duì)強(qiáng)度基本保持恒定（H656／Hbg.≈1.1），說明在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)沒有出現(xiàn)H原子，也說明利用該方法可避開加熱器啟動(dòng)階段及臺(tái)階切換帶來的影響。從12.4s到14s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，H原子開始出現(xiàn)，其相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)保持增大，說明加熱器已經(jīng)開始漏水。而O原子相對(duì)強(qiáng)度下降趨勢(shì)不是很明顯，說明該時(shí)間段內(nèi)漏水量非常小，并沒有明顯影響到加熱器的正常運(yùn)行。14s之后，O原子輻射強(qiáng)度急速減小，而H原子相對(duì)強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)也迅速減小，分析發(fā)生這種現(xiàn)象的最可能的原因是，此刻電極燒損比較嚴(yán)重，漏水量瞬間增大導(dǎo)致加熱器電弧熄滅內(nèi)部溫度迅速下降引起的。

圖4為B狀態(tài)下O、H原子譜線相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。加熱器從光譜儀采集時(shí)鐘的2.5s開始，至15s結(jié)束。起動(dòng)時(shí)間段內(nèi)的O原子輻射變化趨勢(shì)與A狀態(tài)略有不同，主要原因是采用了線性增加的進(jìn)氣方式，而非A狀態(tài)下階梯式進(jìn)氣方式。15s開始，電弧加熱器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，一直持續(xù)到29.8s，該階段的O原子輻射基本保持不變，這與A狀態(tài)穩(wěn)定階段相一致。但是由于B狀態(tài)下焓值較A狀態(tài)低，光譜儀獲得的O原子穩(wěn)定階段時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度要弱于A狀態(tài)。對(duì)于H原子，29.8s之前，H原子相對(duì)強(qiáng)度保持恒定，其值基本穩(wěn)定在1.1左右，與A狀態(tài)時(shí)基本一致，說明采用比值的處理方式不僅可以排除電弧啟動(dòng)階段及臺(tái)階變換帶來的影響，也可以消除由于不同車次下不同試驗(yàn)狀態(tài)、光路變化等帶來的光強(qiáng)變化的干擾。29.8s之后，H原子相對(duì)強(qiáng)度開始逐漸增大，并持續(xù)至設(shè)備關(guān)停。與此同時(shí)O原子相對(duì)強(qiáng)度有微弱的下降趨勢(shì)，這與A狀態(tài)漏水初始時(shí)刻的光譜變化非常類似，說明在這個(gè)階段同樣由于漏水量比較小，還沒對(duì)加熱器的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。此外，在該時(shí)間段內(nèi)H原子相對(duì)強(qiáng)度的上升速率遠(yuǎn)低于A狀態(tài)，初步判斷這是由于B狀態(tài)下電極燒損程度較A狀態(tài)輕，漏水量增長(zhǎng)緩慢造成的。在本次試驗(yàn)中，根據(jù)A狀態(tài)時(shí)漏水經(jīng)驗(yàn)，判斷電極已經(jīng)燒穿漏水，于40s手動(dòng)關(guān)停電弧加熱器。

圖5給出試驗(yàn)后電弧加熱器電極燒損試驗(yàn)照片。觀察圖5（a），該電極燒蝕程度比較嚴(yán)重，存在3個(gè)較大的漏水孔，最大孔直徑約為4mm，此外該電極內(nèi)壁其他位置也有明顯燒蝕痕跡，這是典型的由于漏水量較大造成加熱器內(nèi)部短路而形成的。觀察圖5（b），加熱器電極雖然也已燒漏，但是燒損程度與A狀態(tài)相比要輕微許多，這也與前文根據(jù)光譜儀推斷的結(jié)論相一致。

圖5 加熱器電極燒損試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Photograph of damaged arc heater electrodes

3 測(cè)量系統(tǒng)靈敏度分析

原子發(fā)射光譜強(qiáng)度I可表示為（在本文中，高能級(jí)均采用“k”表示，低能級(jí)均采用“i”表示）：

式中，h為普朗克常數(shù)，νki為躍遷波數(shù)，Aki為自發(fā)輻射愛因斯坦躍遷概率，nk為高能級(jí)粒子數(shù)，若氣體介質(zhì)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，處于各激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子數(shù)密度服從麥克斯韋－波爾茲曼分布規(guī)律，即

式中，n0是總的原子數(shù)，gk為高能級(jí)電子簡(jiǎn)并度，Ek為高能級(jí)能量，k為波爾茲曼常數(shù)，H原子656.28nm譜線和O原子777.19nm譜線相關(guān)光譜常數(shù)見表2。

表2 H、O原子相關(guān)光譜常數(shù)Table 2Atomic spectrum constants used in this study

Q（T）為配分函數(shù)，對(duì)于H原子，Q（T）＝2，對(duì)于O原子，Q（T）＝5＋3exp（－228／T）＋exp（－326／T）［19］。將式（2）代入到式（1），可得：

根據(jù)式（3）得到，H、O原子發(fā)射光譜強(qiáng)度比：

在電弧加熱器內(nèi)、即噴管上游，可認(rèn)為高溫氣體處于熱力學(xué)平衡態(tài)，由于高溫氣體流動(dòng)速度很低，氣流靜溫可近似等于總溫。在本文的試驗(yàn)條件下（A、B狀態(tài)總溫分別為7000K、6500K），空氣中的氧氣分子完全離解生成O原子。在加熱器漏水瞬間，極少量H2O進(jìn)入電弧加熱器，由于該時(shí)刻漏水量相對(duì)于進(jìn)氣量極低，對(duì)電弧加熱器運(yùn)行狀態(tài)影響微乎其微，電弧加熱器總溫、總壓基本保持不變，在上述高溫環(huán)境條件下，根據(jù)熱力學(xué)平衡計(jì)算可知，1個(gè)H2O分子完全離解生成2個(gè)H原子和1個(gè)O原子。式（4）可改寫為

利用發(fā)射光譜測(cè)量系統(tǒng)獲得的H、O原子發(fā)射光譜強(qiáng)度比，在已知焓值（即已知溫度T）和進(jìn)氣量的基礎(chǔ)下（即已知nO），根據(jù)式（5），即可得到該時(shí)刻漏水量nH2O。

圖6為B狀態(tài)時(shí)H、O原子發(fā)射光譜積分強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理示意圖，圖中黑色空心圓點(diǎn)為原始數(shù)據(jù)，紅色實(shí)線為Voigt線型的擬合結(jié)果，對(duì)擬合數(shù)據(jù)求積分即可獲得H、O原子發(fā)射譜線強(qiáng)度IH、IO。另外，為盡量滿足微量漏水的假定條件，以及探討該光譜測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量極限，分別給出A、B狀態(tài)下漏水初始時(shí)刻的H、O原子發(fā)射譜線強(qiáng)度比（為圖3、4中的12.4s和29.8s處，對(duì)應(yīng)H原子的相對(duì)強(qiáng)度H656／Hbg.分別為1.37、1.31），分別為0.0054、0.0040?？紤]到加熱器內(nèi)平衡溫度的測(cè)定誤差及存在著溫度梯度，在根據(jù)式（4）計(jì)算漏水量時(shí)，需給出一定的溫度誤差范圍對(duì)漏水量計(jì)算結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)估，本文假定平衡溫度誤差為±1000K，得到：A狀態(tài)下，平衡溫度為6000～8000K時(shí)，漏水探測(cè)極限約為1.85～0.94g／s；B狀態(tài)下，在平衡溫度5500～7500K范圍下，漏水探測(cè)極限約為2.12～0.98g／s。

圖6 發(fā)射光譜數(shù)據(jù)處理（B狀態(tài)）Fig.6 Atomic emission spectra and their curve fits under test condition B

基于上述試驗(yàn)方案及結(jié)果，在下一步的工作中，可通過以下途徑減小探測(cè)極限，提高測(cè)量能力。

（1）采用高分辨率光譜儀

目前試驗(yàn)中使用的光譜儀分辨率較低，較大的儀器展寬降低了試驗(yàn)光譜的測(cè)量精度，導(dǎo)致在進(jìn)行原子光譜相對(duì)強(qiáng)度處理時(shí)誤差的增大，進(jìn)而降低了整個(gè)光譜測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。未來試驗(yàn)中若采用更高分辨率的光譜儀，相信能大幅度提高探測(cè)靈敏度。

（2）優(yōu)化光路設(shè)計(jì)

在目前的測(cè)量光路下，實(shí)際采集的發(fā)光不僅包括加熱器內(nèi)高溫氣體的發(fā)光，還疊加了壁面固體發(fā)光。在本文數(shù)據(jù)分析方法的條件下，若H原子輻射強(qiáng)度一定，壁面固體發(fā)光越強(qiáng)，系統(tǒng)探測(cè)靈敏度越低。因此在下一步工作中，需要重新設(shè)計(jì)光學(xué)測(cè)量夾片，盡量排除壁面固體發(fā)光的干擾。

4 結(jié) 論

針對(duì)電弧加熱器電極微量漏水時(shí)刻難以準(zhǔn)確判斷的難題，建立一套基于Hα（656.28nm）和O原子（777.19nm）發(fā)射譜線的發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過分析電弧加熱器正常運(yùn)行及漏水故障下高溫流場(chǎng)輻射特征，提出一種利用H、O原子相對(duì)強(qiáng)度變化監(jiān)測(cè)電弧加熱器漏水故障的處理方法，并將其應(yīng)用于中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院某電弧加熱器。試驗(yàn)結(jié)果表明，在本文試驗(yàn)工況和數(shù)據(jù)分析方法的條件下，利用上述測(cè)量方案進(jìn)行電弧加熱器瞬態(tài)漏水故障診斷是切實(shí)可行的。最后，基于熱力學(xué)平衡假設(shè)對(duì)漏水初始時(shí)刻漏水量定量分析進(jìn)而對(duì)該測(cè)量方案探測(cè)極限進(jìn)行討論，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析其實(shí)際測(cè)量能力并提出改進(jìn)方案。

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Experimental study on leak detection of cooling water in arc heater based on emission spectroscopy

Lin Xin1，Chen Lianzhong1，Dong Yonghui1，Ou Dongbin1，＊，Li Fei2，Yu Xilong2
（1.Beijing Key Laboratory of Arc Plasma Application Equipment，China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China；2.State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics，Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

High－enthalpy arc heaters play an important role in the development of thermal protection materials and heat shield structures for entry vehicles because they are capable of producing longtime and representative flow environments.Owing to the large heat flux loading on the electrode，the erosion of the electrode is inevitable.Generally，high pressure water is used for cooling of the electrode.The arc heater may suffer serious damage caused by electrode leak，especially for hundreds or even thousands of seconds aerodynamic heating tests.Therefore，it is necessary to develop fast response diagnostic technique to monitor the operating status of the facility and determine the initial time of water leakage to avoid costly arc－h(huán)eater failure.Because of the extreme conditions inside the arc－h(huán)eater section，options for measurements of the test gases are limited，and optical spectroscopy－based measurements present a diagnostic opportunity.Optical Emission Spectroscopy（OES）is widely used for measuring gas parameters of hightemperature flow field because it is non－intrusive，high sensitive，and just constituted of simple instruments.In our studies，the 656.28nm emission spectral line of the atomic hydrogen and the 777.19nm emission spectral line of the atomic oxygen are utilized for routinely in situ monitoring the operating status and determining the initial time of water leakage at a high－enthalpy arc heater.According to the intensity ratio of the two emission spectral lines，the mass fluxes of the water leakage can be derived，which are 1.85～0.94g／s and 2.12～0.98g／s，corresponding to equilibrium temperatures equal to 6000～8000Kand 5500～7500Kunder two different test conditions，respectively.The current test results of this study illustrate the feasibility and potentialof the OES technology in high－enthalpy arc heater safety diagnosis，especially on the water leakage diagnosis.

arc heater；hydrogen atom；oxygen atom；emission spectroscopy；leak detection

V556.4

：A

（編輯：張巧蕓）

1672－9897（2016）04－0014－06

10.11729／syltlx20150155

2015－12－21；

2016－01－15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11372329）

＊通信作者E－mail：oudongbin＠sina.com

Lin X，Chen L Z，Dong Y H，et al.Experimental study on leak detection of cooling water in arc heater based on emission spectroscopy.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：14－19.林 鑫，陳連忠，董永暉，等.發(fā)射光譜診斷電弧加熱器漏水故障的試驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（4）：14－19.

林鑫（1986－），男，山東青島人，工程師。研究方向：高溫氣體流動(dòng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)。通信地址：北京市7201信箱15分箱（100074）。E－mail：linxin＿bit＠163.com