曾徽，陳智銘，閆憲翔，歐東斌，董永暉

中國航天空氣動力技術(shù)研究院 電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點實驗室，北京 100074

隨著飛行器飛行速度越來越快，從跨越超聲速到高超聲速，飛行器熱防護問題成為高超聲速飛行器設(shè)計的重中之重，而電弧加熱器是研究飛行器氣動熱防護問題的主要地面試驗平臺[1-3]。電弧加熱器通過前后電極擊穿氣體，產(chǎn)生高壓熱電弧，試驗氣體通過電弧加熱和噴管膨脹加速，模擬飛行器再入熱環(huán)境，從而進行防熱材料地面考核試驗。由于電弧加熱器前后電極采用紫銅材料，擊穿放電過程中銅電極發(fā)生燒蝕，電極長時間工作后銅電極燒蝕不利于電弧加熱器的正常運行[4-6]，同時電極燒蝕產(chǎn)生的銅原子進入高溫試驗氣流中，引入污染組分。研究表明，銅蒸汽引入等離子體氣流，會顯著改變等離子體的電導(dǎo)率、輻射發(fā)射系數(shù)等熱物性參數(shù)，并降低等離子體氣流溫度[7]，阿諾德工程發(fā)展中心(Arnold Engineering Devolopment Center,AEDC)的研究結(jié)果顯示，銅污染組分會改變等離子體氣流特性，影響等離子體電磁特性，不利于開展微波傳輸?shù)孛婺M試驗[4]，銅原子本身具有的強催化特性會對防熱材料氣動熱地面試驗考核產(chǎn)生影響[8]，這些都要求采用有效測量手段對銅電極燒蝕進行有效診斷。由于電弧加熱器內(nèi)的高溫惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)測量手段采用接觸式測量的方式，無法有效測量電弧加熱器工作過程中銅電極燒蝕，長期以來一直缺乏電極燒蝕銅污染組分的定量研究。

近年來，非接觸式光譜診斷技術(shù)的發(fā)展給高溫流場測量提供了全新的思路，其具有對流場多參數(shù)實時診斷、非接觸式測量、響應(yīng)快等優(yōu)點，以激光吸收光譜技術(shù)和發(fā)射光譜測量技術(shù)為代表的非接觸式光譜測量技術(shù)是目前國內(nèi)外高溫、高速流場診斷的重要發(fā)展方向[9-10]。關(guān)于光譜診斷技術(shù)在電弧加熱器的應(yīng)用研究以斯坦福大學(xué)的Hanson課題組為代表： Kim[11]選用O、N、Ar、Cu等原子譜線，開展對NASA Ames IHF 60 MW電弧加熱器弧室和自由流的在線診斷研究，采用獲得了電弧加熱器內(nèi)氣流溫度的定量信息，并利用CuI在793.3 nm附近的吸收躍遷，首次獲得了電弧加熱器銅原子濃度的定量結(jié)果；Nations等[12-13]開展進一步的流場診斷研究，通過多線同時測量的方法獲得了電弧加熱器內(nèi)空間分辨的測量結(jié)果。德國Stuttgart大學(xué)的Lohle等長期致力于高溫光譜診斷技術(shù)的研究，利用發(fā)射光譜、激光吸收光譜開展等離子體高溫流場和燒蝕組分流場的定性、定量研究[14-16]。在國內(nèi)，中國航天空氣動力技術(shù)研究院利用原子激光吸收光譜技術(shù)和發(fā)射光譜技術(shù)，開展了對電弧加熱器內(nèi)等離子體氣流和駐點激波層流場的定量研究[17-19]。中國空氣動力研究與發(fā)展中心應(yīng)用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)診斷技術(shù),初步獲得了電弧加熱器銅電極燒蝕的結(jié)果[20]。

本文利用發(fā)射光譜技術(shù)發(fā)展了一套高溫氣流參數(shù)測量系統(tǒng)，應(yīng)用于10 MW高焓疊片式電弧加熱器弧室氣流的在線診斷，獲得了等離子體氣流中銅原子濃度的實時測量結(jié)果，并研究了環(huán)形電極和管式電極2種電極形式下電極燒蝕情況?；谠摐y量系統(tǒng)，定量研究了不同電極形式、不同運行電流、新舊電極等因素對電極燒蝕的影響，并建立判定電極失效的判據(jù)，用于保障電弧加熱器安全運行，同時本文成果也為研究地面試驗污染組分效應(yīng)提供了定量化測量手段。

1 發(fā)射光譜測量原理

原子發(fā)射光譜(OES)的輻射強度可表示為

(1)

式中：Aul為譜線的愛因斯坦發(fā)射系數(shù)，s-1；hul為普朗克常數(shù)，J·s；υul為譜線躍遷的頻率，cm-1；nu為譜線高能級粒子數(shù)密度，cm-3；下標(biāo)“u”表示高能級，下標(biāo)“l(fā)”表示低能級。電弧加熱器通過電極之間擊穿放電，產(chǎn)生熱電弧，將進入加熱器弧室內(nèi)的冷態(tài)試驗介質(zhì)加熱至高溫狀態(tài)。加熱器弧室內(nèi)的高溫氣流，其流速很低，可假定為局部熱力學(xué)平衡態(tài)，相關(guān)研究結(jié)果驗證了這一假設(shè)[21-23]。在滿足熱平衡等離子體條件下，高能級粒子數(shù)密度與總粒子數(shù)密度之間滿足Maxwell-Boltzmann分布：

(2)

式中：n0為總粒子數(shù)密度，cm-3；gu為高能級電子簡并度；Q(T)為配分函數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)，J·K-1；Eu為高能級能量，cm-1；P和T分別為電弧加熱器弧室內(nèi)氣流壓力和氣流溫度；X為摩爾組分濃度。本實驗中選取CuI的譜線和OI的譜線，對兩條譜線的強度ICu和IO進行相比,結(jié)合式(1) 和式(2)可得

(3)

則銅原子濃度可以表示為

(4)

式中：A為愛因斯坦發(fā)射系數(shù)；λ0為譜線中心波長。Colonna和Gapitelli給出了OI的配分函數(shù)[24]，即

(5)

CuI的配分函數(shù)可通過NIST(National Institute of Standards and Technology)原子光譜數(shù)據(jù)庫獲得[25]，OI和CuI配分函數(shù)均可表示為溫度的函數(shù)QO(T)和QCu(T)，具體定量關(guān)系如圖1 所示。

圖1 OI和CuI配分函數(shù)隨溫度變化趨勢

圖2 空氣等離子體參數(shù)熱平衡計算[26]

同時，基于NASA熱化學(xué)平衡計算程序CEA[26],圖2(a)獲得了空氣熱平衡等離子體中氧原子濃度隨溫度(4 000～10 000 K)和壓力(0.1～1 MPa) 的變化趨勢，氧原子濃度可以表示為溫度和壓力的函數(shù)XO(T,P)。電弧加熱器弧室內(nèi)氣流壓力可以通過壓力傳感器直接測量獲得，則氧原子濃度可以表示為僅與溫度相關(guān)的函數(shù)XO(T)。因此，式(4)可進一步簡化為

(6)

電弧加熱器弧室內(nèi)的高溫氣流可以被認定處于熱平衡、一元均質(zhì)流、定常狀態(tài)，依據(jù)Winovich給出的經(jīng)驗公式[27]，電弧加熱器弧室內(nèi)的氣流總焓H0可以表示為

(7)

式中：P0為電弧加熱器弧室內(nèi)氣流總壓，弧室內(nèi)流速很低，采用弧室內(nèi)壁開測壓孔的方式可直接測量電弧加熱器弧室總壓，MPa[27]；A*為噴管喉道面積,mm2；G為試驗介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；試驗過程中通過測量壓力P0和質(zhì)量流量G獲得電弧加熱器弧室內(nèi)的氣流總焓H0。

平衡聲速法適用于2.3～23 MJ/kg范圍內(nèi)氣流焓值測量，NASA Ames進一步研究表明，在上述焓值范圍內(nèi)，平衡聲速法和ASTM標(biāo)準(zhǔn)測焓方法(能量平衡法)結(jié)果吻合一致，平衡聲速法仍然是電弧風(fēng)洞氣流焓值的首選方法之一[28]。

依據(jù)NASA CEA熱化學(xué)平衡計算，圖2(b)給出了氣流焓值與溫度、壓力的定量關(guān)系H(T,P)，電弧加熱器弧室內(nèi)氣流壓力直接測量獲得后，可以建立氣流焓值與氣流溫度之間的關(guān)系H(T)，結(jié)合式(7)獲得電弧加熱器弧室內(nèi)氣流焓值，即可反推獲得電弧加熱器弧室內(nèi)氣流溫度T。同時，采用光譜儀在線測量電弧加熱器弧室內(nèi)的輻射發(fā)光，各自獲得OI和CuI所選擇譜線的光譜強度，即可實現(xiàn)對電弧加熱器內(nèi)等離子體氣流中銅原子含量的定量測量。

表1 原子譜線基本光譜參數(shù)[25]

2 風(fēng)洞試驗

本試驗在中國航天空氣動力技術(shù)研究院FD-04b高焓疊片式電弧風(fēng)洞上進行。圖3給出了疊片式電弧風(fēng)洞運行的示意圖，電弧加熱器首先通過進入陽極和陰極的氬氣介質(zhì)進行起弧，并建立電弧通道，隨后進入的冷態(tài)空氣試驗介質(zhì)被熱電弧加熱，從而獲得高焓等離子體氣流，等離子體氣流經(jīng)收縮-擴張錐形噴管加速后在噴管出口形成超聲速氣流，對噴管出口下游處的試驗?zāi)Ｐ瓦M行飛行器再入熱環(huán)境的地面模擬試驗，開展防熱材料的篩選考核。電弧加熱器的電極和組成電弧通道的疊片通過高壓水循環(huán)冷卻，保證電弧加熱器在高溫、高熱流條件下長時間穩(wěn)定正常運行。如圖3所示，電弧加熱器采用了2種電極形式：

1) 環(huán)形電極。環(huán)形電極是把短管式電極分成若干個環(huán)形電極組合在一起的電極形式，利用分弧電阻將大電流分配到多個電極，減少電極的最大通過電流，同時電極內(nèi)部冷卻水通道內(nèi)安裝多匝線圈，驅(qū)動弧根快速旋轉(zhuǎn)，環(huán)形電極片之間安裝進氣環(huán)并通入氬氣保護電極，這種電極形式可以大大降低電極燒損率，從而提高電極壽命，常用于大功率高焓、低壓、長時間(千秒量級)電弧加熱地面試驗。

2) 管式電極。管式電極是借鑒管式電弧加熱器的電極形式，電極陽極和陰極為一整體管狀結(jié)構(gòu)，并內(nèi)置線圈，驅(qū)動弧根快速旋轉(zhuǎn)。大電流直接加載在管式電極之間，氬氣起弧后，通入試驗介質(zhì)(空氣)，同時起弧氬氣停止通入，整個試驗過程中電弧等離子體熱氣流為純空氣介質(zhì)，可以更加真實地模擬飛行器再入環(huán)境。相比于環(huán)形電極，管式電極形式適用于開展高焓、高壓氣動熱地面試驗。

電弧加熱器陰極和噴管收縮段之間的位置安裝有一套光學(xué)測量片，用于收集電弧加熱器內(nèi)輻射發(fā)光，并測量電極下游等離子體氣流的光譜特性。圖3左下角是光學(xué)測量片的簡要示意圖，在光學(xué)測量片一側(cè)開通孔(長徑比L/D≥10)，并設(shè)計一體安裝的石英玻璃窗口和聚焦透鏡，采用該設(shè)計方式有利于采集氣流輻射光譜，并減少固體輻射的干擾。電弧加熱器內(nèi)高溫氣流的輻射發(fā)光穿過石英玻璃后被透鏡聚焦后，經(jīng)一根10 m長、芯徑1 mm的多模光纖傳遞給光纖光譜儀并進行分光處理，從而實現(xiàn)對等離子體輻射光譜的實時、在線測量。光譜數(shù)據(jù)采集選用Ocean optics公司的QE65PRO型高靈敏度光譜儀，配備Toshiba1024像素×58像素的面陣CCD，光譜測量范圍為198～986 nm，光譜儀的儀器展寬為1.7 nm。本實驗中光譜儀的測量頻率為50 Hz，發(fā)射光譜測試系統(tǒng)的波長及強度響應(yīng)系數(shù)利用一臺200 W鹵鎢燈標(biāo)準(zhǔn)光源(Oriel 63355)進行標(biāo)定。

圖3 疊片電弧風(fēng)洞及OES診斷系統(tǒng)示意圖

本試驗開展了不同電極形式、不同運行電流下電極銅原子燒蝕量的在線測量，對疊片電弧加熱器狀態(tài)重復(fù)性進行了評估。基于銅原子測量結(jié)果，可以評估電極壽命，用于加熱器運行安全診斷。

3 試驗結(jié)果與分析

圖4 原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)處理

圖5 基于3條CuI譜線的濃度測量結(jié)果

圖5給出了一組典型工況下，3條CuI譜線測量獲得的銅原子濃度結(jié)果。從圖5(a) 中濃度隨時間變化測量結(jié)果可以看出，譜線2和譜線3獲得的銅原子濃度下降趨勢非常一致，譜線1獲得銅原子譜線強度下降速率要快于譜線2和譜線3，其原因在于：由式(4)可知，銅原子濃度值與溫度呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系，相比于譜線2和譜線3，譜線1具有更低的高能級能量，基于譜線1進行銅原子濃度測量，其對溫度的靈敏度更高，圖5中起弧階段，電弧等離子體從被擊穿，到建立穩(wěn)定狀態(tài)，氣流溫度是一個逐漸上升直至穩(wěn)定的過程，起弧階段氣流溫度的變化，引起譜線1獲得銅原子濃度的下降趨勢更迅速。同時，3條譜線獲得的銅原子絕對濃度存在一定的差異，峰值濃度在(14～20)×10-6之間波動，圖5(b)統(tǒng)計了2次試驗下3條譜線所測量銅原子峰值濃度的結(jié)果，從多次試驗的結(jié)果可以看出，譜線3(521.8+522 nm) 的銅原子的峰值濃度與3條譜線濃度測量平均值基本一致。同時，由表1中譜線光譜參數(shù)和圖4原始光譜數(shù)據(jù)可知，譜線3具有最強的愛因斯坦發(fā)射系數(shù)和光譜強度，光譜信號具有最高的信噪比，光譜擬合殘差最小，其測量結(jié)果具有最高的置信度。因此，后續(xù)研究選用譜線3測量結(jié)果用于表征電弧加熱器不同電極形式和運行參數(shù)下銅原子濃度變化，并采用譜線3測量結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

3.1 環(huán)形電極測量結(jié)果

圖6給出了環(huán)形電極疊片式電弧加熱器銅原子濃度變化結(jié)果。由圖6(a)可知，電弧加熱器開始起弧，銅原子濃度迅速上升，起弧完成后，銅原子濃度開始下降，并逐漸平衡，3次試驗銅原子濃度保持一致的趨勢。電弧啟動點弧時電極燒蝕較為嚴(yán)重的原因在于，電弧建立過程中弧根不穩(wěn)定，電弧通道未完全建立，電極燒蝕量較顯著。Kim[11]利用激光吸收光譜測量技術(shù)，實現(xiàn)了對NASA Ames 60 MW IHF疊片式電弧加熱器銅電極燒蝕的在線測量，其在195 kPa運行壓力下、單對電極分弧電流342 A時銅原子的峰值濃度為13×10-6，圖6中3次試驗的弧室壓力在210 kPa左右，單對電極分弧電流為380 A，銅原子峰值濃度在13～18×10-6之間變化，在相同類型電極形式、類似運行試驗條件下，本研究的測量結(jié)果與NASA Ames 60 MW IHF疊片式電弧加熱器銅原子測量結(jié)果吻合一致。如圖6(b)所示，電弧加熱器穩(wěn)定工作后，銅原子濃度回落，不同試驗工況下銅原子濃度維持在一個較低的值(<1×10-6)，顯示電弧加熱器穩(wěn)定工作后電極銅原子的燒蝕量較小。同時，不同試驗臺階變換時，銅原子濃度沒有發(fā)生明顯的跳躍增加，表明電弧加熱器不同試驗狀態(tài)之間的過渡切換非常平穩(wěn)。Park[23]的研究表明，電極燒蝕在電弧放電建立、震蕩過程中比較顯著，當(dāng)電弧加熱器壓縮通道內(nèi)電弧穩(wěn)定后，并且壓縮片壁面熱流小于50 MW/m2時，電極和壓縮通道基本不發(fā)生燒蝕，本試驗的測量結(jié)果與其吻合一致。

圖6 環(huán)形電極銅原子濃度

需要強調(diào)的是，圖6中第1次試驗為更換新電極后的首次試驗，其銅原子濃度略低于后2次試驗測量結(jié)果，其原因在于，新電極內(nèi)壁面光滑，電極長時間試驗后電極內(nèi)壁面發(fā)生輕微燒損，無法保持完整光滑，隨著電極使用次數(shù)增加，電極燒蝕增加。同時，分析后2次試驗的測量結(jié)果顯示，銅原子濃度在起弧過程和穩(wěn)定工作過程均具有非常好的重復(fù)性，顯示出疊片式電弧加熱器運行狀態(tài)的一致性，這與疊片電弧加熱器壓縮電弧的特性有關(guān)，陰極和陽極弧根固定于加熱器電極，弧根軸向位置幾乎不發(fā)生橫移，并在切向旋氣和磁場的作用下高速旋轉(zhuǎn)，從而保證電極具有低燒蝕率[29]。整個試驗過程中氣體用氣量為79.585 kg，結(jié)合實際測量的銅原子摩爾組分濃度結(jié)果，整個試驗過程中銅原子燒蝕量為0.274 g。

3.2 管式電極測量結(jié)果

圖7給出了管式電極疊片式電弧加熱器運行過程中電極銅原子濃度測量結(jié)果。2次重復(fù)試驗測量結(jié)果顯示：起弧階段銅組分濃度呈現(xiàn)一致的趨勢，起弧過程中銅原子濃度增加后迅速下降至平衡，但銅原子峰值濃度存在明顯差異，2次 試驗的銅原子峰值濃度分別為177×10-6和337×10-6。電弧加熱器穩(wěn)定工作后銅電極燒蝕仍然明顯，銅原子摩爾組分濃度在(1～30)×10-6范圍內(nèi)劇烈波動，并且2次試驗銅原子變化趨勢不具有一致性。AEDC 研究中心H1高壓疊片電弧加熱器采用短管式電極類似結(jié)構(gòu)，其在在50～100 Pa運行壓力范圍內(nèi)電極燒蝕產(chǎn)生的銅原子質(zhì)量分數(shù)為200×10-6，摩爾分數(shù)為90×10-6[4]。

圖7 管式電極銅原子濃度

圖8(a)給出了新電極在不同電流下銅原子峰值濃度的變化。由圖8 (a)可知，管式電極形式疊片電弧加熱器在較低運行電流范圍(<1 000 A),銅原子峰值濃度基本小于10×10-6，新電極燒蝕較小；多次重復(fù)試驗顯示，運行電流在1000 A時銅原子峰值濃度在(20～45)×10-6之間波動；當(dāng)電弧加熱器運行電流高于1 200 A時，銅原子峰值濃度基本維持在(180～200)×10-6,新電極燒蝕量出現(xiàn)一個量級的增加，新電極燒蝕明顯增加，說明在該電流運行范圍內(nèi)電弧加熱器具有較高的風(fēng)險，具體數(shù)據(jù)可用于評估電弧加熱器安全運行。圖8(b) 給出了運行電流1 000 A下新、舊電極的銅原子測量結(jié)果，多次試驗顯示，舊電極銅原子峰值濃度在(100～300)×10-6范圍內(nèi)波動，新電極銅原子峰值濃度小于50×10-6，造成新、舊電極燒蝕出現(xiàn)明顯差異的原因與上述環(huán)形電極燒蝕測量結(jié)果原因類似，新電極內(nèi)壁面光滑，舊電極表面有一定粗糙度，弧根旋轉(zhuǎn)過程中舊電極燒蝕更為明顯。

圖8 管式電極起弧過程銅原子峰值濃度變化

圖9給出了相同試驗條件下管式電極-疊片電弧加熱器銅原子濃度的測量結(jié)果，可以用于表征電極的正常運行和異常運行工況。圖9中虛線測量結(jié)果顯示，電弧加熱器起弧，銅原子濃度出現(xiàn)劇烈上升，之后隨著加熱器運行穩(wěn)定，銅原子濃度隨著下降，并基本平衡，基于該測量結(jié)果可以判定電極正常工作；相比之下，實線銅原子濃度變化趨勢顯示，起弧后銅原子濃度并沒有降低，銅原子濃度一直維持在一個較高的水平(>20×10-6)，該測量結(jié)果顯示銅電極出現(xiàn)持續(xù)性的燒蝕，電極異常工作，需要及時更換電極。銅原子濃度在線測量結(jié)果可以實時、定量的判定電極燒蝕變化和工作狀態(tài)，避免因電極燒蝕而引起的設(shè)備運行風(fēng)險，從而保障設(shè)備安全運行。

圖9 管式電極異常工況和正常工況對比

3.3 環(huán)形電極和管式電極對比

圖10給出了在相同運行電流(I=1 150 A)下，多車次試驗環(huán)形電極和管式電極銅原子峰值濃度測量結(jié)果統(tǒng)計。由圖10可知，環(huán)形電極銅原子峰值濃度均小于20×10-6，而管式電極銅原子峰值濃度基本在(200～900)×10-6之間變化，管式電極燒蝕量高于環(huán)形電極一個量級，其原因在于，相比于環(huán)形電極，管式電極由于缺乏電流分弧，加載在單對電極的電流較大，同時整個試驗過程中管式電極缺乏氬氣介質(zhì)保護，造成其電極燒蝕要遠遠高于環(huán)形電極。3次試驗后環(huán)形電極銅原子燒蝕量只出現(xiàn)輕微增加，管式電極第5次試驗銅原子峰值濃度就顯著高于之前4次試驗結(jié)果，銅原子峰值濃度增加表明電極燒蝕加劇，結(jié)果表明環(huán)形電極壽命要遠遠高于管式電極。因此，依據(jù)銅原子測量結(jié)果，本文建立以下判據(jù)，判定加熱器燒蝕加劇，需要清理、更換電極：① 電弧起弧階段銅原子峰值濃度顯著高于正常值；② 電弧加熱器穩(wěn)定運行后銅原子濃度仍然出現(xiàn)劇烈波動；③ 電弧加熱器起弧后銅原子濃度沒有下降，穩(wěn)定運行后銅原子濃度維持在一個較高的水平。

圖10 環(huán)形電極、管式電極銅原子峰值濃度

4 誤差分析

由式(6)和式(7)可知，銅原子濃度的測量誤差來源于5項：① 平衡聲速法經(jīng)驗公式的偏差，Winovich[27]研究表明，在2.3～23 MJ/kg焓值范圍內(nèi)，經(jīng)驗公式的擬合偏差在4%范圍內(nèi)，同時，在氣流焓值高于11.6 MJ/kg(≥5 000 Btu/lb (1 Btu/lb =2 326 J/kg))時，非平衡效應(yīng)引起的偏差在5%左右，因此,平衡聲速法經(jīng)驗公式的偏差為6.4%； ② CuI原子譜線積分強度測量誤差；③ OI原子譜線積分強度測量誤差；④ 函數(shù)f(T) 的誤差；⑤ 氧原子摩爾組分濃度XO(T)的誤差。CuI和OI原子譜線積分強度的測量誤差來自于譜線擬合過程帶來的誤差，由圖4原始光譜數(shù)據(jù)處理過程可以獲得擬合殘差，選用Voigt函數(shù)擬合的最大殘差作為CuI譜線和OI譜線積分強度的測量誤差。上述函數(shù)f(T)和氧原子濃度XO(T)的誤差來源于溫度T的測量誤差，進一步來源于電弧加熱器氣流焓值H的誤差。由式(7)可知，氣流焓值的誤差來源：① 壓力P0測量誤差，本試驗采用YZD-2B型壓力傳感器，量程0～500 kPa，精度為0.1%FS,考慮電弧加熱器穩(wěn)定工作時實測壓力的波動，壓力測量誤差為1%；② 喉道面積A*測量誤差，喉道面積的測量誤差來自于噴管喉道的機械加工誤差和喉道內(nèi)壁邊界層引起的誤差，其誤差在2%左右；③ 質(zhì)量流量G測量誤差，本試驗中質(zhì)量流量是通過聲速流量法計算獲得[27]，聲速噴嘴的流量測量誤差通過與標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計進行對比，其誤差在1%左右?？紤]以上因素，采用式(7)平衡聲速法的焓值測量誤差為6.2%。依照圖2(b)中氣流焓值與氣流溫度的定量關(guān)系進行靈敏度分析，可以獲得電弧加熱器弧室內(nèi)氣流溫度的誤差。在此基礎(chǔ)上，依照圖2(a) 和圖1分別分析XO(T)和fi(T)對溫度的靈敏度，可以獲得XO(T)和fi(T)的誤差，從而獲得不同因素對銅原子譜線測量的貢獻，具體如表2 所示,基于本方法，銅原子的測量誤差為19.6%。

表2 銅原子測量誤差評估

5 結(jié) 論

本研究發(fā)展了基于發(fā)射光譜的電弧加熱器高溫氣流在線測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對銅原子濃度的實時測量。該測量系統(tǒng)作為電弧加熱器測試系統(tǒng)的常規(guī)組成部分，可以實時反映電弧加熱器電極燒蝕情況，用于判斷電弧加熱器電極工作狀態(tài)，保障電弧加熱器安全運行，并且測量結(jié)果適用于開展防熱材料地面試驗考核過程銅原子污染組分效應(yīng)的定量研究，是用于電弧加熱器安全運行判定和等離子體高溫氣流非接觸式測量的重要測量手段?；趯嶋H獲得的銅原子濃度，獲得如下結(jié)論：

1) 環(huán)形電極電弧加熱器啟動點弧階段，弧根不穩(wěn)定，電弧通道未完全建立，電極燒蝕量較顯著, 起弧后銅原子濃度迅速達到峰值，加熱器穩(wěn)定工作歐銅原子的燒蝕量顯著下降，銅原子濃度低于1 ppm并保持穩(wěn)定，電極燒蝕量非常小。

2) 管式電極起弧過程中銅原子變化趨勢與環(huán)形電極類似，但電極燒蝕量要顯著高于環(huán)形電極，其原因與電極缺乏分弧和氬氣保護有關(guān)。

3) 管式新電極的燒蝕量隨著運行電流的增加逐漸增加，在I<1 000 A下，銅電極燒蝕量較?。划?dāng)I>1 000 A時，銅電極燒蝕量出現(xiàn)一個量級的增加，同時對新電極和舊電極的測量結(jié)果顯示，舊電極燒蝕量要顯著高于新電極，其原因與舊電極內(nèi)壁面粗糙度增加，弧根旋轉(zhuǎn)時電極燒蝕增加有關(guān)。

4) 基于銅原子測量結(jié)果建立了判定電極失效的判據(jù)：① 電弧起弧階段銅原子峰值濃度顯著高于正常值；②電弧加熱器穩(wěn)定運行后銅原子濃度仍然出現(xiàn)劇烈波動；③ 電弧加熱器起弧后銅原子濃度沒有下降，穩(wěn)定運行后銅原子濃度維持在一個較高的水平。

本文基于發(fā)射光譜開展銅電極燒蝕量定量研究，現(xiàn)有方法的測量誤差在19.6%左右，測量誤差主要來源于光譜譜線擬合殘差和確定電弧加熱器弧室氣流溫度引入的誤差，其中譜線擬合殘差與光譜原始信號的信噪比有關(guān)，后續(xù)研究擬采用具有更高靈敏度、光譜分辨率更高的中階梯光譜儀開展流場光譜診斷，從而實現(xiàn)更高信噪比的譜線測量。本文是利用平衡聲速法間接確定氣流的溫度，加上平衡聲速法公式本身的偏差，引入較大測量誤差，后續(xù)研究采用激光吸收光譜，可直接測量獲得電弧加熱器弧室內(nèi)熱平衡氣流的溫度?；诩す馕展庾V結(jié)合發(fā)射光譜的光學(xué)非接觸式測量方法可以實現(xiàn)更高精度的電弧加熱器電極燒蝕定量研究。下一步研究工作重點開展對電弧風(fēng)洞自由流和防熱材料駐點激波層內(nèi)銅原子濃度的在線診斷，分析地面試驗污染效應(yīng)對于防熱材料氣動熱考核的影響。