电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法与流程

本发明属于飞行器地面气动热试验研究领域，具体涉及一种电弧加热器漏水故障时漏水量测量方法。

背景技术：

电弧加热器是研究气动热防护问题的重要试验平台，自上世纪五十年代以来，一直是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。伴随着未来新型飞行器的发展，电弧加热器的功率和被加热气体的焓值也不断被提高，而电弧加热器功率的提升不可避免的要和增大电流联系起来。由于试验中加载在电极上的巨大热流，必然带来电弧加热器电极的烧蚀，而电流的增长直接导致电极烧损的加剧。为了延长电弧加热器电极寿命及提高其工作稳定性，国内外普遍采用高压水对电极进行强制冷却。根据文献报道，通过弧根传给铜电极的热流约为(0.6～2.5)×10⁹W/m²，而与此同时，在铜制平板实际上可能带走的最大热流为5×10⁷W/m²。这就意味着，空气介质下(其他介质中也是如此)铜电极静止弧根的情况下，要避免电极材料的烧蚀实际上是办不到的，试验中存在着由于电极烧穿漏水加热器严重烧损的风险。若试验中电极烧蚀量过大导致电极烧穿，高压冷却水会迅速进入电弧加热器，造成加热器内部短路进而导致其烧蚀急速扩大，在没有及时停车的前提下甚至会造成加热器烧毁，这不仅会造成巨大的经济损失，还严重影响了试验的进度。除此之外，加热器本身密封失效或者冷却水管堵塞等问题也极易导致加热器局部热烧蚀严重，进而导致加热器烧穿漏水。

在上述背景之下，通过有效测量手段对电弧加热器运行状态实时监测，准确判断电极微量漏水时刻及测量漏水量是非常有意义的。对电弧加热器漏水故障的诊断和控制，由于涉及核心技术，公开报道资料极少。从有限的文献来看，目前主要有两种途径。一是当电弧加热器出现爬弧(wall arcing)或其他不正常运行时，电弧电压会出现增加，但由此设计的故障判定总会出现系统关闭延迟，Joseph Sheeley根据2003～2004年度AEDC H3叠片加热器试验数据，利用人工神经网络进行训练，结果显示，经过训练的模型可以预测电弧加热器各种条件下的正常启动及运行的电弧电压，通过比较预测值和测量值，有可能发现电弧加热器损坏前的一些非正常现象。二是当电弧加热器电极出现熔化有可能被烧穿时，高温流场中铜粒子浓度会出现明显增加，有关文献指出，水冷铜电极和约束片所溶解蒸发的铜粒子会污染等离子体流场，铜粒子浓度对电弧加热来讲是一个重要的参数。早期的铜粒子浓度主要依靠称重法，发射光谱和插入式探针直接测量，NASA-Ames中心Ronald等人与Stanford大学合作，研究了基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的电弧流场参数测试传感器，利用中心波长为793.3nm激光测量了流场中铜粒子的浓度及气流温度，结果显示，在总电弧功率6.8MW条件下，流场中铜粒子含量平均为2ppm，而在20MW条件下，铜粒子含量高达13ppm，吸收光谱技术可以及时快速地诊断流场成分，并可对电弧加热器何时进行正常维修保养提供有用信息，但流场中铜粒子含量多少与电弧加热器电极是否出现漏水故障不存在必然联系，不能直接用于电极漏水故障判定，更对评估漏水量无能为力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有基于电弧电压和吸收光谱法铜粒子浓度测量以判定电弧加热器漏水故障的不足(特别是漏水量的定量测量方面国内外均无相关报道)，提出了一种简单、直接、易于实现的基于原子发射光谱法的电弧加热器漏水故障漏水量测量方法，一方面可通过漏水量的实时变化对加热器烧损程度进行监测，另一方面还可与控制系统连锁实现电弧加热器漏水时的快速关停。

本发明的技术方案是：

电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法，其包括以下步骤：

获取高温高速气体的光谱信息，并根据所述光谱信息计算得到氢原子特征谱线λ_H＝656.28nm和氧原子特征谱线λ_O＝777.19nm强度比值I_H/I_O；

基于热力学平衡条件，根据所述强度比值I_H/I_O和已知氧原子数密度n_O计算得到氢原子数密度n_H，并根据计算得到漏水量。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述的气体经过供气系统进入电弧加热器并利用其放电电弧加热，经喷管膨胀加速后在试验段形成高温高速气体，流经试验模型后的高温高速气体被真空系统收集；高温高速气体的光谱信息通过光谱测量夹片透过窗口经透镜收集后被光纤传输到光谱测量系统进行分析处理。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述光谱测量夹片安装在电弧加热器和喷管之间，所述光谱测量夹片的材料为紫铜，且所述光谱测量夹片的侧壁开设有用于收集光谱信息的孔。采用打孔冷却结构，满足强度和防热的需要；侧壁开孔用于收集流场光谱信息。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述电弧加热器为分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述喷管为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述喷管为超声速喷管或亚声速喷管。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述光谱测量系统包括光谱仪、CCD、计算机和分析模块，光谱仪和CCD的波长范围600-800nm，光学分辨率不低于1.0nm；分析模块用于对采集的氢原子特征谱线λ_H＝656.28nm和氧原子特征谱线λ_O＝777.19nm积分强度比值I_H/I_O的实时处理以获得漏水量。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述窗口包括石英玻璃和设置在其内外的O型密封圈。高温流场光谱可透过石英玻璃由光谱仪采集，窗口还可以防止高温气体外泻以保护外部透镜及光纤接头的安全。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述透镜为直径3mm、焦距8mm的石英透镜。高温流场光谱被其聚焦于光纤，可大大提高系统信噪比。

优选的是，所述的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法中，所述光纤为长度10米、芯径0.8mm的VIS/NIR多模阶跃型石英光纤。

气体经过供气系统进入电弧加热器并利用其放电电弧加热，经喷管膨胀加速后在试验段形成高温高速流场，流经试验模型后的气流被真空系统收集；高温气体的光谱信息通过安装在电弧加热器和喷管之间的光谱测量夹片透过窗口经透镜收集后被光纤传输到光谱测量系统进行分析处理。由于电弧加热器在运行过程中内部气体静温高达6000K-9000K，在如此的高温环境下，空气中的O₂完全离解生成氧原子，若电弧加热器出现水冷电极烧穿或密封失效等故障导致漏水时，水会瞬间离解生成氢原子。利用光谱测量系统获得的氢原子特征谱线λ_H＝656.28nm及氧原子特征谱线λ_O＝777.19nm强度比值I_H/I_O，基于热力学平衡假设，在已知氧原子数密度n_O的条件下，即可得到氢原子数密度n_H，进而可实现漏水故障漏水量定量测量，即

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明可实现电弧加热器高温流场中氢原子特征光谱和氧原子特征光谱强度比值的直接测量，在基于热力学平衡假设条件下，可实现电弧加热器漏水故障漏水量的定量测量，一方面可通过漏水量的实时变化对加热器烧损程度进行监测，另一方面还可与控制系统连锁实现电弧加热器漏水时的快速关停。该方法比现有基于电弧电压和铜粒子浓度测量方法判定加热器漏水故障更直接和准确，且填补了目前国内外对于加热器漏水故障漏水量难以定量测量的技术空白。

(2)本发明所述的原子发射光谱法较吸收光谱法试验系统更为简单、成本低廉、对环境依赖程度小，便于在电弧加热器和电弧风洞中实现，其系统可靠性更高。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明提供的电弧加热器漏水故障时的漏水量测量方法的结构示意图；

图2是图1中的虚线处的剖面放大图；

图3是本发明提供的电弧加热器漏水故障时的漏水测量方法的一个实施例中的高温高速气体的光谱图；

图4本发明一个实施例中的氢原子的发射光谱积分强度数据处理示意图；

图5本发明一个实施例中的氢原子的发射光谱积分强度数据处理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

以60MW叠片加热器为例，如图1和图2所示，一种电弧加热器漏水故障漏水量测量方法包括：电弧加热器1、喷管2、光谱测量夹片3、窗口4、透镜5、光纤6和光谱测量系统7。试验在电弧风洞里进行，电弧加热器1和喷管2用于提供作用于试验模型的气动加热环境，光谱测量夹片3、窗口4、透镜5和光纤6用于采集和传输高温流场光谱信息到光谱测量系统7。

步骤如下：

(1)根据试验模型及所提气动热参数(气流总焓、表面冷壁热流等)选择合适电弧加热器1、喷管2等设备，电弧加热器1可以是分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器；喷管2为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管，既可以是超声速喷管，也可以是亚声速喷管。试验时，气体经过供气系统进入电弧加热器1并利用其放电电弧加热，经喷管2膨胀加速后在试验段形成高温高速流场，流经试验模型后的气流被真空系统收集。

(2)如图1所示，在电弧加热器1和喷管2之间安装光谱测量夹片3，高温流场光谱信息透过窗口4被透镜5聚焦到光纤6内，光纤6将光传导到光谱测量系统7进行分光测量。

图3给出了某漏水试验中，漏水前后正常状态下与漏水状态下的高温流场光谱，图3中清晰可见漏水后有明显氢原子656.28nm特征发射谱线，而整个基线部分，特别是氧原子777.19nm特征发射谱线与正常状态相比基本没有变化。上述现象说明，在漏水初始时刻，进入电弧加热器内的水分子在高温条件下瞬间离解生成H原子和O原子，另外由于漏水前期，漏水量非常小，对加热器的运行工况尚未有明显影响。

(3)电弧加热器1在运行过程中内部气体静温高达6000K-9000K，由于高温气体流动速度很低，气流静温可近似等于总温，而气体总温可根据气体焓值查高温气体参数表获得。在如此的高温环境下，空气中的O₂完全离解生成氧原子，若电弧加热器1出现水冷电极烧穿或密封失效等故障导致漏水时，水会瞬间离解生成氢原子。利用光谱测量系统7获得的氢原子特征谱线λ_H＝656.28nm及氧原子特征谱线λ_O＝777.19nm强度比值I_H/I_O，基于热力学平衡假设，在已知空气进气量的条件下(即已知氧原子数密度n_O)，即可得到氢原子数密度n_H，进而可实现漏水故障漏水量定量测量，即推导过程如下：

原子发射光谱强度I可表示为(文中高能级均采用“k”表示，低能级均采用“i”表示)

I＝hv_kiA_kin_k (1)

式中，h为普朗克常数，v_ki为跃迁波数，A_ki为自发辐射爱因斯坦跃迁概率，n_k为高能级粒子数，若气体介质处于热力学平衡状态，处于各激发态和基态的原子数密度服从麦克斯韦-波尔兹曼分布规律，即

$n_k=n_0\frac{g_k}{Q\left(T\right)}\exp (-\frac{E_k}{kT})---\left(2\right)$

式中，n₀是总的原子数，Q(T)为配分函数。g_k为高能级电子简并度，E_k为高能级能量，k为波尔兹曼常数。将式(2)代入到式(1)，可得

$I={\mathrm{hv}}_{ki}{A}_{ki}{n}_0\frac{g_k}{Q\left(T\right)}\exp (-\frac{E_k}{kT})---\left(3\right)$

根据式(3)得到，H、O原子发射光谱强度比

$\frac{I_H}{I_O}=\frac{n_H}{n_O}\frac{A_H}{A_O}\frac{v_H}{v_O}\frac{g_H}{g_O}\frac{Q_O\left(T\right)}{Q_H\left(T\right)}\exp \left(\frac{E_O-E_H}{kT}\right)---\left(4\right)$

图4和图5为某漏水试验中氢、氧原子发射光谱积分强度数据处理示意图。对拟合数据求积分即可获得氢、氧原子发射谱线强度I_H、I_O。将试验中测到的I_H、I_O代入到(4)式中，在已知进气量(n_O)和焓值(T)的基础上，即可得到氢原子数密度n_H，进而得到漏水量，即

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。