基于原子发射光谱的中低焓电弧加热器 漏水故障诊断

电弧加热器试验中存在电极局部烧穿漏水导致电弧加热器严重烧损的风险，对漏水故障的快速诊断可大大提升电弧加热器的运行安全性。由于电弧加热器内高温气流的恶劣环境，漏水故障诊断技术匮乏。针对总焓范围2~12 MJ/kg的中低焓电弧加热器，提出一种基于原子发射光谱的漏水故障诊断技术。通过分析中低焓电弧加热器漏水故障条件和正常运行下高温流场的发射光谱特性，选择氧原子777.19 nm发射谱线为目标谱线，采用相对强度的处理方法，实时监测该中低焓电弧加热器是否发生漏水故障。试验获得了总焓H₀分别为11.6和9.8 MJ/kg共2组工况下氧原子相对辐射强度的变化规律，结合电极烧蚀图像分析，证明该技术应用于中低焓电弧加热器漏水故障诊断具有较强的发展潜力。最后，提出该技术在单轨道-多焓值状态气动热试验条件下，每个状态均保证较高灵敏度的解决方案。     

ADN基发动机燃烧室CO组分实验测量

为研究ADN基发动机燃烧室内的燃烧过程,搭建了一套基于可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)实验测量系统。实验采用直接吸收光谱法对ADN基发动机燃烧室内CO组分摩尔分数进行测量,获得了喷注压力分别为1.1MPa,0.9MPa,0.7MPa,0.5MPa时,发动机燃烧室内CO组分摩尔分数随时间的变化。实验结果表明当发动机喷注压力由1.1MPa下降到0.5MPa时,燃烧室内CO平均摩尔分数由2%上升到4.7%,这表明发动机喷注压力的变化影响燃烧室内ADN基推进剂化学反应进程,当喷注压力下降时燃烧室内CO摩尔分数升高,ADN基推进剂燃烧不充分。     

中红外吸收光谱测量激波风洞自由流中 NO 浓度和温度

JF-10氢氧爆轰驱动激波风洞内的高焓自由来流气体中含有因电离和离解等非平衡过程产生的微量组分。利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS),对自由流中 NO 微量组分的浓度和温度进行测量,有助于定量理解气体电离和离解这一非平衡过程。本实验中,JF-10氢氧爆轰驱动激波风洞实验段内压力为百帕量级,在谱线加宽中多普勒加宽占据主导,多普勒半高宽可由分子平均热运动速度获得,其半高宽与温度的平方根成正比,因此选取一条吸收谱线并准确测定其多普勒半高宽即可得到温度和浓度。本实验中采用中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser),选取1909.7cm-1附近6条吸收线作为吸收线,在2kHz 的扫描频率下,采用直接吸收-波长扫描法进行 NO 温度和浓度测量。实验测得自由流中 NO 平均分压约为0.33Pa,自由流平均温度约为600K。     

电弧加热高温磁流体发电地面试验研究

针对航天器未来空间飞行任务对大功率电源的迫切需求，开展了基于电弧加热的高温气体磁流体（MHD）发电地面试验研究。利用长分段电弧加热器加热氩气试验工质，模拟MHD发电所需的温度和压力条件，通过注入铯种子的方式提高试验工质的电导率，成功进行了直通式和盘式MHD发电地面试验:在磁场强度1 T试验条件下，直通式发电机最大输出发电功率达到196 W；在磁场强度7 T试验条件下，盘式发电机最大输出发电功率达到10.5 kW。本研究工作验证了磁流体发电技术的前景，为更高功率的磁流体发电机研究及空间应用奠定了基础。     

电弧加热器铜污染组分效应发射光谱定量研究

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要地面试验平台，其采用电极放电加热获得高温气体的方式，会产生铜蒸汽粒子，并随同进入地面试验模拟的等离子体气流，产生电弧风洞地面试验铜污染组分效应。本研究利用发射光谱诊断技术，发展了一套电弧加热器高温流场组分在线诊断测量系统，开展对10 MW高焓叠片式电弧加热器铜电极烧蚀的在线测量，获得了铜原子浓度的实时测量结果。基于所选铜原子谱线，开展了对电弧加热器起弧过程和稳定工作过程的测量，同时分析了管式电极和环形电极下电极烧蚀的情况。研究结果表明：起弧瞬间，电极烧蚀较明显，管式电极的铜原子峰值浓度要明显高于环形电极；稳定工作后，环形电极铜原子烧蚀量迅速下降，并保持在一个较低水平（<10^-6），管式电极仍然存在较高、不稳定的烧蚀，显示管式电极的烧蚀量要明显高于环形电极，且管式电极烧蚀量随着电弧加热器运行电流的增加而增加。基于该测量结果，建立了判定电极失效的直接判据，并用于保障电弧加热器运行安全。为研究电弧加热器电极烧蚀及地面试验铜污染组分效应提供了非接触式测量手段，目前，该测量系统已经作为电弧加热器的常规测试手段，提供电弧加热器高温气流的在线诊断。     

ADN基推力器中红外吸收光谱燃烧诊断

ADN（二硝酰胺铵盐）基单组元绿色推进技术是空间推进领域的国际研究热点，目前国内外对ADN基推进剂分解和燃烧过程缺乏统一、完善的燃烧动力学机理，尤其欠缺对推力器内部燃烧过程和关键中间产物定量信息的实验研究。本文通过发展先进中红外光谱诊断技术（QCLAS），实时诊断ADN基推进剂分解、燃烧反应中的CO，N₂O多种关键组分浓度、燃气温度等关键参数。推力器稳态点火测量结果验证了ADN推进剂催化分解和燃烧两步反应阶段理论研究，脉冲点火下组分浓度变化规律呈现与脉冲序列一致特性，验证了推力器正常工作的稳定性和可靠性。基于测量结果初步评估了ADN基推力器性能，特征速度达1130m/s，达到同类型肼推力器标准，验证了该绿色推力器良好的应用前景。     

电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键，常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境，电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术，选用原子O（777.19nm）谱线，基于局部热化学平衡等离子体假设，对电弧加热器内高温离解空气（＞5000K）试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H₀=15.8，17.4MJ/kg 2组工况下，电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K，对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在（1.1~1.2）×1018cm-3之间，低能级5S₂0粒子数密度在（1.0~1.6）×1010cm-3之间，2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致，验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。     

火星进入器气动热环境模拟及热防护试验综述

文章简述典型火星进入器所面临的气动热环境，阐明在火星大气CO₂介质下进行试验的重大需求以及建立火星热环境模拟及热防护试验方法的必要性；并对国内外进行的相关火星进入器热防护工程性和研究性试验进行综述，指出研究空气和CO₂介质下的电弧加热器运行特性将对火星热防护试验提供必要的支撑，CO₂介质下防热材料催化特性研究和先进测试技术（如TALIF、OES、HSC等）是未来发展的方向。