中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000
高超声速飞行器再入大气层时, 受到激波的压缩和激波层内粘性阻滞作用, 周围绕流流场的空气温度在4 000~15 000 K之间, 使空气中的氧、 氮分子发生离解, 从而出现高温气体效应, 形成高焓化学非平衡流。 飞行器表面防热材料基本都含有大量的碳元素, 通常情况下主要是氧原子与碳发生反应, 但在焓值大于18 MJ·kg-1的情况下, 氮原子与飞行器表面碳反应的无量纲烧蚀因子BCN>0.172 5, 此时碳在高焓空气介质中的无量纲质量烧蚀因子BCair>0.345, 因此, 碳的氮化烧蚀变得非常剧烈, 和氧化烧蚀相当; 同时离解的氮原子也会在飞行器表面发生催化复合反应放出大量的热, 使飞行器表面承受更多的热载荷。 因此, 分析高焓化学非平衡流流场中的氮原子具有现实意义。 在地面模拟设备中建立高焓化学非平衡流场, 对氮原子进行测量技术, 可以很好的对其进行研究。 双光子吸收激光诱导荧光(TALIF)技术作为一种非接触测量, 在不干扰流场环境的情况下, 可以直接获得氮原子的浓度分布。 对流场氮原子激发荧光, 通过布置在风洞试验段外与流场和激光形成的平面呈垂直方向的ICCD获取到二维氮原子的荧光信号。 为确保荧光图像的清晰及视场合适, 选择了Nikon f=50 mm F/1.4镜头作为前级收光设备。 实验成像采用50次曝光的累计结果, 以消除气流扰动及激光能量抖动造成的不确定性。 实验中, 在理论激发波长附件进行测试, 优化选择出206.717 nm作为正式实验中脉冲激光的最佳激发波长。 在最佳激光波长条件下, 从小到大调整激发能量, 获得了该环境下的氮原子激发的非饱和线性区为1.8 mJ以下。 正式实验过程中激光能量为1.6 mJ, 处于线性区。 对所获取的荧光图像进行处理, 提取激光中心线上的荧光强度进行分析, 发现无论是亚声速还是超声速, 荧光强度沿径向都呈驼峰状分布, 与之前氧原子测试结果比较, 发现流场中氮分子还未完全离解, 这符合实验风洞流场特性。
高焓化学非平衡流 氮原子 激光诱导荧光 优化选择 High-enthalpy chemical non-equilibrium flow Nitrogen atom Laser-induced fluorescence Optimization 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2135
中国空气动力研究与发展中心超高速所, 绵阳 621000
在高频等离子体风洞中建立了高温二氧化碳流场, 通过测量和计算获得了温度和摩尔比数分布, 同时进行了红外光谱测量实验。给出了测量实验装置、原理及方法, 并在1500 K～3000 K范围内四个不同的温度环境下进行实验, 获得了二氧化碳在不同温度下4.3 m附近v3振动带的红外光谱数据。发现随着温度的升高, 光谱曲线的最高峰位置向长波方向移动。通过理论分析得到了高温下二氧化碳气体红外辐射实验测量中出现“红移”现象的理论原因, 以及与天体物理中红移现象的区别。该理论可应用于高温气体温度测量。
高温 二氧化碳 红外光谱 红移 high temperature CO2 infrared spectrum red shift
中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000
红外窗口导致的气动光学效应将对高速导弹的红外成像制导产生重要影响, 文中在等离子体射流中对二维尖劈模型中的石英窗口进行加热, 测量了一定射流条件下红外窗口表面温度分布和热流分布; 利用径向剪切干涉技术, 测量了气动加热条件下红外窗口引起的传输光束波面相位的变化, 获得了点扩散函数和斯特列尔比的变化。实验结果表明: 热环境下的红外窗口导致传输光束的远场强度发生衰减, 能量分布发生扩散, 光束的会聚性显著降低。
气动光学 波面相位 点扩散函数 斯特列尔比 aero-optics wavefront phase point spread function Strehl ratio 红外与激光工程
2017, 46(9): 0904001
1 四川大学原子与分子物理研究所, 四川 成都 610065
2 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000
基于双光子吸收激光诱导荧光（TALIF)技术, 在纯净的高焓流场环境中, 将脉冲激光从垂直于流场方向射入流场, 并通过布置在风洞试验段外与流场和激光形成的平面向垂直方向上的ICCD测量获取到了二维氧原子的荧光信号, 该信号可以反映氧原子相对浓度。 为保证实验中使用到的激发激光波长为最佳激发波长, 分别对氧原子基态处在不同角量子数的情况进行了测试, 最终确定J=2时, 波长为225584 nm为最终实验激发波长, 为了保证所获取的氧原子荧光信号在非饱和线性区, 在同种状态下, 将激发激光能量从小到大调整并进行荧光信号的测试, 获取了激光能量在34 mJ以下的线性区域。 为确保获取清晰对比度最优的ICCD荧光图像, 选择了Nikon f=105 mm F/28镜头为实验测试镜头, 同时将50次曝光的累计结果作为图像输出。 对所获取的荧光图像进行分析, 实验结果可以清晰地看到超声速流场中压缩波形成的距中心线约±50 mm位置处左右各一个的小峰, 亚声速流场中中心处氧原子浓度有一个约60 mm宽的均匀区域, 区域以外氧原子浓度急剧下降, 这些结果符合实验风洞特性, 此测试方法可以很好地运用到流场测量中。
高焓 氧原子 激光诱导荧光 优化选择 High-enthalpy Atom O Laser-induced fluorescence Optimization selection
中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所, 四川 绵阳621000
主要介绍了依托高频等离子体风洞建立的高温气体辐射测量平台, 并在此平台上开展了高温二氧化碳气体红外辐射实验测量。 介绍了高频等离子体风洞的运行原理、 流场特性及工作介质;介绍了实验测量的条件、 装置、 标定、 数据处理方法和结果分析;通过自建的高温气体发射光谱测量平台实验测量了二氧化碳气体在1 500～3 000 K范围内4个温度点的红外发射光谱;介绍了Abel变换在测量二氧化碳气体红外辐射空间分布中的应用, 通过Abel变换获得了高温下二氧化碳气体红外辐射的空间分布结果;分析了高温二氧化碳气体在4.3 μm附近的红外辐射的强度及其中心波长随温度变化的分布, 得到了发射峰中心波长随温度的升高向长波方向展开的结果, 并与文献结果进行了对比分析。
高温气体 红外辐射 Abel变换 High temperature gas Infrared radiation Able-transform 光谱学与光谱分析
2014, 34(12): 3169
