齊新華， 陳 力， 閆 博， 母金河， 陳 爽， 周江寧

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所， 四川 綿陽(yáng) 621000

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 民用、 國(guó)防、 航空航天等領(lǐng)域的等離子體技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的高度， 其中等離子體再入、 等離子體減阻、 等離子體隱身、 等離子體助燃及邊界層控制等是其典型應(yīng)用的表現(xiàn)[1-2]。 電弧等離子體是地面模擬超高速飛行器大氣再入流動(dòng)環(huán)境的主要工具之一， 對(duì)其流動(dòng)特性的研究是高溫空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的內(nèi)容。 等離子體的性質(zhì)是由其狀態(tài)參數(shù)決定的， 如等離子體的溫度、 電子密度及速度等， 對(duì)于等離子體溫度和電子密度的測(cè)量試驗(yàn)研究相關(guān)報(bào)道較多[3-5]， 而對(duì)于等離子體射流的速度測(cè)量， 一直缺乏有效的測(cè)量手段。 隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展， 將激光與流場(chǎng)速度測(cè)量聯(lián)系起來(lái)， 先后發(fā)展了激光多普勒測(cè)速技術(shù)(laser Doppler velocimetry, LDV)、 干涉瑞利散射技術(shù)(interferometric Rayleigh scattering, IRS)等非接觸測(cè)量技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)了高速流場(chǎng)的速度測(cè)量， 在流體力學(xué)研究中獲得了廣泛應(yīng)用[6-11]。 但LDV技術(shù)需要在流場(chǎng)中加入示蹤粒子， 而示蹤粒子在高速流場(chǎng)中跟隨性較差， 使其應(yīng)用范圍受到了一定限制； 而IRS技術(shù)雖不需外加示蹤粒子， 但對(duì)超高速、 高超聲速燃燒流場(chǎng)， 由于自身存在較強(qiáng)的自發(fā)輻射背景， 使得干涉瑞利散射信號(hào)受到很大的干擾， 信噪比很低。 因此， 提出了一種利用超高速或高超聲速流場(chǎng)自身光譜輻射測(cè)量流場(chǎng)速度的方法， 基于氬壁穩(wěn)電弧等離子體發(fā)生器的等離子體射流自發(fā)輻射光譜開(kāi)展了試驗(yàn)研究。

1 基本原理

由多普勒效應(yīng)[12]知， 當(dāng)光源與探測(cè)器存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 探測(cè)器接收到的光頻率(波長(zhǎng))將發(fā)生改變, 即產(chǎn)生多普勒頻移, 其大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度相關(guān)。 因此高速氣流產(chǎn)生的自發(fā)輻射光相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)的光源， 被靜止的探測(cè)器接收， 如圖1所示， 假設(shè)光源的運(yùn)動(dòng)速度為v， 輻射光沿探測(cè)器收集方向的單位矢量為L(zhǎng)， 根據(jù)多普勒效應(yīng)， 多普勒頻移ΔνD可以表示為

(1)

圖1 運(yùn)動(dòng)光源產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)

式(1)中：λ為發(fā)射光譜波長(zhǎng)；θ為流場(chǎng)速度與收集方向夾角；L為散射光沿探測(cè)器收集方向的單位矢量；v為流場(chǎng)速度。

由式(1)即可通過(guò)測(cè)量發(fā)射光譜的多普勒頻移來(lái)獲得流場(chǎng)的速度信息。

高速氣流運(yùn)動(dòng)速度引起的多普勒頻移非常小(MHz～GHz， 10-5nm量級(jí))， 所以對(duì)光譜分析設(shè)備的分辨能力提出了非常高的要求， 常規(guī)光譜儀的分辨本領(lǐng)已遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求； 而基于多光束干涉原理的F-P(Fabry-Perot, F-P)干涉儀是利用多光束干涉產(chǎn)生細(xì)銳條紋的典型儀器， 所產(chǎn)生的干涉條紋具有十分清晰明銳的特點(diǎn)， 是研究光譜線(xiàn)超精細(xì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具[13]。

依據(jù)F-P干涉儀的工作原理知， 當(dāng)波長(zhǎng)為λ的單色光經(jīng)光學(xué)透鏡形成平行光照射到F-P干涉儀后， 透過(guò)F-P干涉儀的多光束將在像平面形成非常明銳的干涉圓環(huán)， 形成亮環(huán)的條件為

(2)

式(2)中：δ為相鄰兩束透射光之間的相位差；n為干涉儀介質(zhì)折射率；h為兩平面之間的距離；i為光束與光軸的夾角；k為整數(shù)。

圖2給出了波長(zhǎng)分別為λ和λ+Δλ的單色光源在F-P干涉儀像平面形成的不同級(jí)次干涉圓環(huán)的示意圖。

圖2 F-P干涉儀形成的同心干涉圓環(huán)

在等離子體射流速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中， 等離子體氣流中的某一特征輻射光波長(zhǎng)λ0， 相當(dāng)于一運(yùn)動(dòng)的光源， 當(dāng)成像透鏡焦距為f， 流場(chǎng)速度與收集方向夾角為θ1時(shí)， 由于多普勒效應(yīng)， 靜止的探測(cè)器接收到的輻射光波長(zhǎng)將改變?yōu)棣?， 其在F-P干涉儀像平面上形成的第k級(jí)亮環(huán)的半徑可表示為

(3)

當(dāng)流場(chǎng)速度與收集方向夾角改變?yōu)棣?時(shí)， 由于多普勒效應(yīng)， 靜止的探測(cè)器接收到的輻射光波長(zhǎng)將改變?yōu)棣?， 其在F-P干涉儀像平面上形成的第k級(jí)亮環(huán)的半徑同樣可表示為

(4)

2 實(shí)驗(yàn)部分

基于光學(xué)多普勒效應(yīng)， 利用氬壁穩(wěn)電弧等離子體發(fā)生裝置的自發(fā)輻射光譜， 開(kāi)展高溫流場(chǎng)速度實(shí)驗(yàn)， 首先需要確定合適的高溫輻射特征光譜， 作為多普勒頻移的運(yùn)動(dòng)光源； 其次通過(guò)高精度光譜分析設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)速度引起的多普勒頻移量實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量， 最后根據(jù)式(1)計(jì)算出氣流速度。

2.1 裝置

氬壁穩(wěn)電弧等離子體發(fā)生器(圖3)由控制電源、 發(fā)生器主體、 真空系統(tǒng)、 水電氣保障系統(tǒng)及配套的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成， 工作氣體為氬氣。 其中， 在發(fā)生器與真空系統(tǒng)之間安裝有拉瓦爾噴管， 可以產(chǎn)生亞音速到超音速氣流(圖4)。

圖3 氬壁穩(wěn)電弧等離子體發(fā)生器裝置

圖4 氬壁穩(wěn)電弧等離子發(fā)生器形成的高溫射流

2.2 輻射光譜篩選

為選擇合適的氬原子特征輻射譜線(xiàn)作為多普勒頻移測(cè)速的基準(zhǔn)譜線(xiàn)， 首先開(kāi)展了高溫等離子體輻射光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)。 試驗(yàn)中， 光譜儀采用300 line·mm-1光柵， 氬氣流量3.5 L·min-1， 獲取的電流80～130 A狀態(tài)下的氬原子光譜曲線(xiàn)(見(jiàn)圖5)； 隨著電流的增大， 光譜強(qiáng)度明顯增強(qiáng)； 在波長(zhǎng)670～760 nm范圍內(nèi)， 有多條原子特征譜線(xiàn)， 其中696， 706， 738， 750和751 nm譜線(xiàn)強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。 綜合后期測(cè)速實(shí)驗(yàn)中CCD相機(jī)的響應(yīng)曲線(xiàn)， 以及F-P干涉儀的反射率曲線(xiàn)， 最終選擇波長(zhǎng)696.54 nm的特征譜線(xiàn)， 作為等離子體發(fā)生器測(cè)速實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)光源。

圖5 不同電流狀態(tài)下氬原子光譜曲線(xiàn)

2.3 測(cè)速系統(tǒng)搭建

根據(jù)測(cè)速原理， 設(shè)計(jì)了圖6所示的實(shí)驗(yàn)光路。 實(shí)驗(yàn)中， 氬等離子體產(chǎn)生的原子譜線(xiàn)， 分別被與氣流運(yùn)動(dòng)方向成不同夾角的收集透鏡L1和L2收集后， 由光纖1傳輸至光譜儀， 實(shí)現(xiàn)光譜的篩選， 再經(jīng)光纖2、 透鏡L3形成平行光照射F-P干涉儀， 最后由透鏡L4將干涉圓環(huán)成像至CCD相機(jī)。

圖6 測(cè)速實(shí)驗(yàn)光路示意圖

實(shí)驗(yàn)中， 為保證較高的收光和傳光效率， 光纖1和光纖2均采用的是芯徑約0.4 mm的多模光纖； 光譜儀選用的分光光柵為300 line·mm-1； 透鏡L1和L2的焦距f=300 mm, 口徑為φ100 mm； 透鏡L3焦距f=150 mm， L4的焦距f=500 mm； 采用EMCCD(electron-multiplying CCD, EMCCD)相機(jī)記錄輻射光譜形成的干涉圓環(huán)， 該相機(jī)具有較強(qiáng)的弱信號(hào)放大能力， 保證了采集的干涉圖像的信噪比。 F-P干涉儀是整個(gè)測(cè)速光路中的核心分光元件， 其主要參數(shù)為反射率90%， 玻璃板通徑50 mm, 厚度15 mm， 精細(xì)度30， 自由光譜范圍6.6 GHz。

依據(jù)陳力等[7, 14]基于F-P干涉儀的流場(chǎng)速度測(cè)量準(zhǔn)確度分析方法， 并考慮到本工作是利用與射流成49°和90°收集夾角的多普勒頻移差來(lái)計(jì)算等離子體射流速度， 經(jīng)分析該系統(tǒng)的速度測(cè)量準(zhǔn)確度為7.6 m·s-1。

3 結(jié)果與討論

利用圖6所示的實(shí)驗(yàn)光路， 在氬壁穩(wěn)電弧等離子體開(kāi)展了等離子體超射速射流速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。 針對(duì)2個(gè)不同的拉瓦爾噴管形成的超聲速射流， 開(kāi)展了速度測(cè)量。

圖7為1#噴管形成的高溫等離子體射流， 經(jīng)過(guò)F-P干涉儀后形成的干涉圓環(huán)， 圖7(a)信號(hào)收集方向與氣流運(yùn)動(dòng)方向成90°夾角， 圖7(b)信號(hào)收集方向與氣流運(yùn)動(dòng)方向成49°夾角； 從圖中可以看到， 不同的收集方向， 記錄的干涉圓環(huán)的半徑不同。

圖7 1#噴管不同角度的干涉圓環(huán)

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合， 精確獲得了每個(gè)干涉圓環(huán)的干涉半徑如圖8所示。 當(dāng)收集夾角為90°時(shí)， 中心兩級(jí)次干涉圓環(huán)半徑分別為102.756和190.824 pixel； 當(dāng)收集夾角為49°時(shí)， 中心兩級(jí)次干涉圓環(huán)半徑分別為114.155和196.178 pixel。 通過(guò)干涉圓環(huán)的半徑偏移量， 計(jì)算獲得1#噴管形成的超射速射流軸向速度為670 m·s-1。

圖8 1#噴管不同角度干涉圓環(huán)擬合結(jié)果

針對(duì)2#噴管， 共開(kāi)展了兩車(chē)速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)， 圖9和圖10分別車(chē)次1和車(chē)次2高溫射流輻射光譜經(jīng)F-P干涉儀形成的干涉圓環(huán)及擬合結(jié)果， 進(jìn)一步計(jì)算出兩車(chē)實(shí)驗(yàn)射流軸向速度分別為791和783 m·s-1， 可見(jiàn)兩車(chē)實(shí)驗(yàn)速度測(cè)量結(jié)果具有較好的重復(fù)性。

圖9 2#噴管車(chē)次1形成的不同角度干涉圓環(huán)及擬合結(jié)果

圖10 2#噴管車(chē)次2形成的不同角度干涉圓環(huán)及擬合結(jié)果

4 結(jié) 論

針對(duì)高溫等離子發(fā)生器高速射流速度測(cè)量需求， 發(fā)展了一種基于輻射光譜的多普勒測(cè)速技術(shù)。 利用高溫等離子體自發(fā)輻射的原子特征譜線(xiàn)作為基準(zhǔn)光源， 結(jié)合光譜儀、 傳能光纖、 高光譜分辨F-P干涉儀和電子倍增CCD相機(jī)提升系統(tǒng)的光譜分辨能力， 設(shè)計(jì)了一套高溫等離子體超聲速射流速度測(cè)量光路系統(tǒng)。 針對(duì)兩個(gè)不同的拉瓦爾噴管形成的超聲速射流， 開(kāi)展了高溫流場(chǎng)速度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)， 獲得了射流軸向速度測(cè)量結(jié)果， 結(jié)果表明基于高溫輻射光譜及多普勒效應(yīng)， 開(kāi)展高溫等離子體射流速度測(cè)量是可行的。