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.中國航天空氣動力技術研究院電弧等離子應用裝備北京市重點實驗室，北京 100074；2.中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京 100190）

電弧加熱器是飛行器熱防護系統(tǒng)地面考核試驗的首選設備。電弧加熱器在運行時，由于其電極工作在高溫環(huán)境，普遍采用高壓水進行冷卻，試驗中存在著由于電極燒穿漏水導致加熱器嚴重燒損的風險。由于高溫氣流的惡劣環(huán)境，目前尚無有效監(jiān)測手段。本文作者建立一套以氫原子Hα（656.28nm）和氧原子（777.19nm）發(fā)射譜線作為目標譜線的發(fā)射光譜監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析電弧加熱器故障條件和正常運行下高溫流場中的發(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該光譜測量系統(tǒng)測量靈敏度進行評估，獲得了A、B兩種試驗狀態(tài)下的漏水探測極限：A狀態(tài)下約為1.85～0.94g／s；B狀態(tài)下，2.12～0.98g／s。試驗結果表明，發(fā)射光譜應用于電弧加熱器漏水故障診斷是切實可行的。

電弧加熱器；氫原子；氧原子；發(fā)射光譜；漏水檢測

0 引 言

電弧加熱器是研究飛行器熱防護系統(tǒng)在真實高超聲速飛行條件下，氣動熱問題的重要試驗平臺，其工作狀態(tài)和氣流品質直接決定了試驗的可靠性［1－3］。由于電弧加熱器電極工作在高溫環(huán)境下，普遍采用高壓水對電極進行強制冷卻。電弧加熱器內的高溫氣體會引發(fā)電極外表面的燒蝕，若電極燒蝕量過大導致電極燒穿，高壓冷卻水會迅速進入電弧加熱器，造成加熱器內部短路進而導致其燒蝕急速擴大，在沒有及時停車的前提下甚至會造成加熱器燒毀，這不僅會造成巨大的經濟損失，還嚴重影響了試驗的進度［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致加熱器局部熱燒蝕嚴重，進而導致加熱器燒穿漏水。在上述背景之下，通過有效測量手段對電弧加熱器運行狀態(tài)實時監(jiān)測，準確判斷電極微量漏水時刻從而實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的快速關停是非常有意義的。分析以往電弧加熱器故障的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的壁面壓力傳感器、電流波動監(jiān)測、流場錄像等監(jiān)測手段由于反應滯后，靈敏度低，對精確判斷微量漏水時刻及評估漏水量無能為力，往往是發(fā)現(xiàn)漏水為時已晚，加熱器已嚴重燒損。由此可見，電弧加熱器試驗時急需更為準確、可靠、有效的在線監(jiān)測手段，而大功率電弧加熱器的苛刻運行條件要求非侵入式測量技術，因此各種光譜學測量技術成為首選［5－8］。

發(fā)射光譜具有高靈敏度、高時空分辨率等優(yōu)點，是國際上診斷高溫氣流參數(shù)最直接有效的方法之一，被廣泛地應用于航空發(fā)動機、低溫等離子體、行星再入等領域［9－13］。不同于其他的光譜診斷技術，如吸收光譜、相干反斯托克斯拉曼光譜、激光誘導熒光等，發(fā)射光譜技術是建立在高溫氣體分子（原子）自發(fā)輻射的基礎上，測量核心設備僅為一臺光譜儀，光路設計簡單，試驗中比較容易實現(xiàn)。近十幾年，隨著高分辨率、高性能光譜測試系統(tǒng)的出現(xiàn)以及光纖耦合技術的長足進步，國外科研人員在應用發(fā)射光譜技術測量電弧加熱器溫度分布及試驗模型駐點輻射熱流等方面也有所嘗試［14－16］。但將其應用于加熱器的健康運行監(jiān)測，特別是判斷電極瞬態(tài)漏水方面，由于在系統(tǒng)設計、漏水判據(jù)設定，特別是大功率加熱器試驗調試等方面均較為困難，在國內外均未見相關報道。

本文為發(fā)射光譜技術應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。在電弧加熱器運行過程中，弧室內氣體靜溫高達6000～9000K，在如此的高溫環(huán)境下，O2完全離解［4］。當有微量水進入加熱器內會瞬間離解生成H原子，因此是否探測到H原子輻射可作為電極燒穿漏水的直接判據(jù)。本文以O原子（777.19nm）和H原子Hα（656.28nm）發(fā)射譜線作為目標譜線，設計一種安裝于加熱器出口處的新型光學測量夾片收集發(fā)光，建立原子發(fā)射光譜漏水監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析電弧加熱器漏水故障條件和正常運行下高溫流場中的發(fā)射光譜特性，設定漏水判定條件，診斷某電弧加熱器電極漏水瞬態(tài)故障，并結合試驗狀態(tài)（總焓、進氣量）對該系統(tǒng)的探測靈敏度進行定量分析。以上工作為提高用于電弧加熱器漏水診斷的發(fā)射光譜技術可靠性及靈敏度奠定基礎。

1 試驗部分

試驗方案如圖1所示，該試驗是在中國航天空氣動力技術研究院某電弧風洞上進行。該電弧風洞主要由電弧加熱器、噴管、試驗段、冷卻器和真空系統(tǒng)所組成。試驗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)百個具有獨立高壓冷卻水通道及進氣通道的壓縮片疊加構成。試驗中通過調節(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狀態(tài)。

圖1 電弧風洞及發(fā)射光譜測量系統(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 左側給出了該光學測量夾片的細節(jié)展示，由圖可見，測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，芯徑0.8mm的石英光纖內，光纖將光傳導到光譜儀并進行分光測量。在上述的窗口－透鏡－光纖的結構下，實際采集的發(fā)光為直徑4mm，長度為弧室內徑的一個圓柱形區(qū)域的氣體發(fā)光，并疊加對面壁面的固體發(fā)光。光譜測量采用美國海洋光學公司的QE65PRO型高靈敏度光譜儀，配備1024×58像素的面陣CCD，光譜測量范圍為280～980nm，在選用10μm入射狹縫的基礎上，光譜分辨率Δλ＝1.3nm，Voigt線型。為了實現(xiàn)對加熱器的實時監(jiān)測及獲得足夠的信噪比，光譜儀曝光時間設為20ms，即50Hz的測量頻率。該光譜測量系統(tǒng)的波長及強度響應系數(shù)在試驗前利用一臺標準汞燈光源（Ocean optics HG－1）和一臺鎢燈光源（Oriel 63945）進行標定。發(fā)射光譜監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)由實驗室自主研發(fā)的軟件實時分析處理，當風洞出現(xiàn)異常情況時，便于風洞運行人員及時關停整個試驗系統(tǒng)。

需要說明的是：在今后多次試驗數(shù)據(jù)積累，漏水判據(jù)逐漸完善的基礎上，該分析軟件可與電弧風洞的控制系統(tǒng)進行連鎖，從而可實現(xiàn)光譜測量系統(tǒng)報警后整個試驗系統(tǒng)的自動快速關停（約為0.1s），將加熱器損失降到最低。

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

表1 試驗狀態(tài)Table 1 Test conditions

2 試驗結果及分析

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刻和漏水前正常運行下的原始數(shù)據(jù)。可見，采集的光譜可認為是線狀譜和寬帶譜的疊加，其中線狀譜為原子譜線，如圖中標記的H、N、O和Cu原子譜線等?；€部分的寬帶譜為壁面固體發(fā)光與等離子體復合產生的寬帶輻射光的疊加，為方便比較將原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

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，漏水初始時刻有明顯的H原子譜線，另外整個基線部分，特別是777.19nm處O原子譜線強度基本沒有變化。上述現(xiàn)象說明，在漏水初始時刻，進入電弧加熱器內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，對加熱器的運行工況尚未有明顯影響（除了基線部分及O原子譜線強度沒有明顯變化外，該時刻壓力及電流參數(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原子譜線強度隨時間的變化，需定義其相對強度。在本文數(shù)據(jù)處理中，對于O原子和H原子相對強度采用了不同的定義方式。對于O原子，由于其整個試驗過程中一直存在且輻射強度很強，同時其強度變化也非常直觀地反映加熱器運行情況，因此試驗中將其777.19nm原子譜線輻射強度定義為其相對強度。原子譜線輻射強度為對原始信號進行基線擬合進而求積分獲得，結合試驗前對光譜函數(shù)的標定（Δλ＝1.3nm，Voigt線型），數(shù)據(jù)處理中采用Voigt線型擬合。

對于H原子，由于其只在電極漏水時出現(xiàn)，因此若采用O原子輻射強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、進氣量波動、臺階變換等帶來的問題，將H原子相對強度定義為中心波長是656.28nm寬帶光譜強度與鄰近背景光譜強度的比值H656／Hbg.（積分帶寬均為8nm），即H656為652.28～660.28nm的光譜強度積分值，背景光譜強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，即Hbg.為634～641nm的光譜強度積分值。圖3和4分別為2次試驗獲得的H原子和O原子相對強度隨時間的變化圖，由于試驗中光譜儀觸發(fā)和電弧加熱器的同步是通過手動觸發(fā)實現(xiàn)的，因此2次試驗觸發(fā)時間并不相同，即光譜儀采集到的電弧加熱器啟動時刻不同。

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

圖4 B狀態(tài)下原子譜線相對強度隨時間變化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鐘的0.5s左右開始啟動，2s左右空氣開始進入，隨之O原子輻射出現(xiàn)，伴隨著電流和空氣進氣量的逐漸增大，O原子輻射逐漸增強，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?，F(xiàn)象。對于H原子輻射而言，在12.4s之前，雖然背景輻射逐步增強，但其H原子相對強度基本保持恒定（H656／Hbg.≈1.1），說明在這個時間段內沒有出現(xiàn)H原子，也說明利用該方法可避開加熱器啟動階段及臺階切換帶來的影響。從12.4s到14s這個時間段內，H原子開始出現(xiàn)，其相對強度隨時間增長保持增大，說明加熱器已經開始漏水。而O原子相對強度下降趨勢不是很明顯，說明該時間段內漏水量非常小，并沒有明顯影響到加熱器的正常運行。14s之后，O原子輻射強度急速減小，而H原子相對強度達到最大值時也迅速減小，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重，漏水量瞬間增大導致加熱器電弧熄滅內部溫度迅速下降引起的。

圖4為B狀態(tài)下O、H原子譜線相對強度隨時間的變化。加熱器從光譜儀采集時鐘的2.5s開始，至15s結束。起動時間段內的O原子輻射變化趨勢與A狀態(tài)略有不同，主要原因是采用了線性增加的進氣方式，而非A狀態(tài)下階梯式進氣方式。15s開始，電弧加熱器進入穩(wěn)定運行階段，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)定階段時的相對強度要弱于A狀態(tài)。對于H原子，29.8s之前，H原子相對強度保持恒定，其值基本穩(wěn)定在1.1左右，與A狀態(tài)時基本一致，說明采用比值的處理方式不僅可以排除電弧啟動階段及臺階變換帶來的影響，也可以消除由于不同車次下不同試驗狀態(tài)、光路變化等帶來的光強變化的干擾。29.8s之后，H原子相對強度開始逐漸增大，并持續(xù)至設備關停。與此同時O原子相對強度有微弱的下降趨勢，這與A狀態(tài)漏水初始時刻的光譜變化非常類似，說明在這個階段同樣由于漏水量比較小，還沒對加熱器的運行造成嚴重影響。此外，在該時間段內H原子相對強度的上升速率遠低于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，漏水量增長緩慢造成的。在本次試驗中，根據(jù)A狀態(tài)時漏水經驗，判斷電極已經燒穿漏水，于40s手動關停電弧加熱器。

圖5給出試驗后電弧加熱器電極燒損試驗照片。觀察圖5（a），該電極燒蝕程度比較嚴重，存在3個較大的漏水孔，最大孔直徑約為4mm，此外該電極內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)光譜儀推斷的結論相一致。

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

3 測量系統(tǒng)靈敏度分析

原子發(fā)射光譜強度I可表示為（在本文中，高能級均采用“k”表示，低能級均采用“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為高能級粒子數(shù)，若氣體介質處于熱力學平衡狀態(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為高能級電子簡并度，Ek為高能級能量，k為波爾茲曼常數(shù)，H原子656.28nm譜線和O原子777.19nm譜線相關光譜常數(shù)見表2。

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

Q（T）為配分函數(shù)，對于H原子，Q（T）＝2，對于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)射光譜強度比：

在電弧加熱器內、即噴管上游，可認為高溫氣體處于熱力學平衡態(tài)，由于高溫氣體流動速度很低，氣流靜溫可近似等于總溫。在本文的試驗條件下（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進入電弧加熱器，由于該時刻漏水量相對于進氣量極低，對電弧加熱器運行狀態(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)熱力學平衡計算可知，1個H2O分子完全離解生成2個H原子和1個O原子。式（4）可改寫為

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

圖6為B狀態(tài)時H、O原子發(fā)射光譜積分強度數(shù)據(jù)處理示意圖，圖中黑色空心圓點為原始數(shù)據(jù)，紅色實線為Voigt線型的擬合結果，對擬合數(shù)據(jù)求積分即可獲得H、O原子發(fā)射譜線強度IH、IO。另外，為盡量滿足微量漏水的假定條件，以及探討該光譜測量系統(tǒng)的測量極限，分別給出A、B狀態(tài)下漏水初始時刻的H、O原子發(fā)射譜線強度比（為圖3、4中的12.4s和29.8s處，對應H原子的相對強度H656／Hbg.分別為1.37、1.31），分別為0.0054、0.0040。考慮到加熱器內平衡溫度的測定誤差及存在著溫度梯度，在根據(jù)式（4）計算漏水量時，需給出一定的溫度誤差范圍對漏水量計算結果不確定度進行評估，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，漏水探測極限約為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

基于上述試驗方案及結果，在下一步的工作中，可通過以下途徑減小探測極限，提高測量能力。

（1）采用高分辨率光譜儀

目前試驗中使用的光譜儀分辨率較低，較大的儀器展寬降低了試驗光譜的測量精度，導致在進行原子光譜相對強度處理時誤差的增大，進而降低了整個光譜測量系統(tǒng)的探測靈敏度。未來試驗中若采用更高分辨率的光譜儀，相信能大幅度提高探測靈敏度。

（2）優(yōu)化光路設計

在目前的測量光路下，實際采集的發(fā)光不僅包括加熱器內高溫氣體的發(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原子輻射強度一定，壁面固體發(fā)光越強，系統(tǒng)探測靈敏度越低。因此在下一步工作中，需要重新設計光學測量夾片，盡量排除壁面固體發(fā)光的干擾。

4 結 論

針對電弧加熱器電極微量漏水時刻難以準確判斷的難題，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)測系統(tǒng)，通過分析電弧加熱器正常運行及漏水故障下高溫流場輻射特征，提出一種利用H、O原子相對強度變化監(jiān)測電弧加熱器漏水故障的處理方法，并將其應用于中國航天空氣動力技術研究院某電弧加熱器。試驗結果表明，在本文試驗工況和數(shù)據(jù)分析方法的條件下，利用上述測量方案進行電弧加熱器瞬態(tài)漏水故障診斷是切實可行的。最后，基于熱力學平衡假設對漏水初始時刻漏水量定量分析進而對該測量方案探測極限進行討論，結合試驗數(shù)據(jù)分析其實際測量能力并提出改進方案。

［1］Grinstead J H，Porter B J，Carballo J E.Flow property measurement using laser－induced fluorescence in the NASA ames interaction heating facility［R］.AIAA－2011－1091，2011.

［2］Splinter S C，Bey K S，Gragg J G，et al.Comparative measurements of earth and Martian entry environments in the NASA Langley HYMETS facility［R］.AIAA－2011－1014，2011.

［3］Park C，Raiche G A，Driver D M，et al.Comparison of enthalpy determination methods for an arc－jet facility［J］.Journal of Thermophysics and Heat Transfer，2006，20（4）：672－679.

［4］Kim S.Development of tunable diode laser absorption sensors for a large－scale arc－h(huán)eated－plasma wind tunnel［D］.California：Stanford University，2004.

［5］Martin M N，Chang L S，Jeffries J B，et al.Monitoring temperature in high enthalpy arc－h(huán)eated plasma flows using tunable diode laser absorption spectroscopy［R］.AIAA－2013－2761，2013.

［6］Winter P M，Prabhu D K.Radiation transport analysis of emission spectroscopic measurements in the plenum region of the NASA IHF arc jet facility［R］.AIAA－2014－2489，2014.

［7］Takayanagi H，Mizuno M，F(xiàn)ujii K，et al.Arc heated wind tunnel flow diagnostics using laser－induced fluorescence of atomic species［R］.AIAA－2009－1449，2009.

［8］Inman J A，Bathel B F，Johansen C T，et al.Nitric oxide PLIF measurements in the Hypersonic Materials Environmental Test System（HYMETS）［R］.AIAA－2011－1090，2011.

［9］Vancrayenes B，F(xiàn)letcher D G.Emission spectroscopic survey of graphite ablation in the VKI plasmatron［R］.AIAA－2006－2907，2006.

［10］Yalin A P，Laux C O，Kruger C H，et al.Spatial profiles of N＋2concentration in an atmospheric pressure nitrogen glow discharge［J］.Plasma Sources Science and Technology，2002，11：248－253.

［11］Lin X，Yu X L，Li F，et al.Measurements of nonequilibrium and equilibrium temperature behind a strong shock wave in simulated Martian atmosphere［J］.Acta Mechanica Sinica，2012，28（5）：1296－1302.

［12］Lin X，Yu X L，Li F，et al.CO concentration and temperature measurements in a shock tube for Martian mixtures by coupling OES and TDLAS［J］.Applied Physics B：Lasers and Optics，2012，110：401－409.

［13］Dikalyuk A S，Surzhikov S T，Kozlov P V，et al.Nonequilibrium spectral radiation behind the shock waves in Martian and Earth atmospheres［R］.AIAA－2013－2505，2013.

［14］Winter M W，Prabhu D K，Williams W W.Determination of temperature profiles in the plenum region of the NASA IHF arc jet facility from emission spectroscopic measurements［R］.AIAA－2013－3016，2013.

［15］Winter M W，Prabhu D K，Taunk J S，et al.Emission spectroscopic measurements in the plenum region of the NASA IHF arc jet facility［R］.AIAA－2010－4522，2010.

［16］Winter M W，Prabhu D K，Raiche G A，et al.Emission spectroscopic measurements with an optical probe in the NASA A－mes IHF arc jet facility［R］.AIAA－2012－1016，2012.

［17］張志成.高超聲速氣動熱和熱防護［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003：261－263.

［18］Baum G M，Jorgensen L H.Charts for equilibrium flow properties of air in hypervelocity nozzles［R］.NASA TN D－1333，1962.

［19］Laux C O.Optical dignostics and radiative emission of air plasmas［D］.California：Stanford University，1993.

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

國家自然科學基金資助項目（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研究.實驗流體力學，2016，30（4）：14－19.

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