基于原子發(fā)射光譜的中低焓電弧加熱器漏水故障診斷

林 鑫, 曾 徽, 彭錦龍, 歐東斌, 李 飛, 余西龍

(1. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190; 2. 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074)

0 引 言

電弧加熱器可以復(fù)現(xiàn)飛行器高速飛行時(shí)的主要熱參數(shù)(總焓、熱流等)，是世界各國(guó)進(jìn)行高超聲速飛行器防熱材料篩選和熱防護(hù)系統(tǒng)考核的主要地面試驗(yàn)設(shè)備[1-6]。電弧加熱器通過加載在電極兩端的高電壓產(chǎn)生電弧并加熱試驗(yàn)氣體，由于高電壓、大電流加載在電極上產(chǎn)生的巨大熱流及加熱器內(nèi)高溫氣體沖刷等因素的綜合作用，必然會(huì)導(dǎo)致電弧加熱器電極的燒蝕。為延長(zhǎng)電極壽命及提高其工作可靠性，研究人員一方面建立多種數(shù)值模型，深入開展電極燒蝕機(jī)理研究，對(duì)電極優(yōu)化設(shè)計(jì)[7-9]；另一方面利用高壓水冷卻并配合磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)弧根、多電極分流技術(shù)等提高電極抗燒蝕能力[10-11]。即便如此，電極燒蝕仍不可避免，燒蝕量累積導(dǎo)致電極燒穿漏水的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。若電極燒穿漏水，高壓冷卻水會(huì)迅速進(jìn)入電弧加熱器，造成其內(nèi)部短路進(jìn)而嚴(yán)重?zé)齻踔翢龤В貏e是對(duì)于數(shù)百秒甚至數(shù)千秒的長(zhǎng)時(shí)間氣動(dòng)熱試驗(yàn)，更加劇了發(fā)生這種故障的可能性[12]。因此，如何在大功率電弧加熱器的苛刻運(yùn)行條件下，通過有效測(cè)量手段準(zhǔn)確判定電弧加熱器電極漏水故障前期-微量漏水時(shí)刻，從而及時(shí)關(guān)停試驗(yàn)系統(tǒng)是非常有意義的。而傳統(tǒng)的電流電壓波動(dòng)監(jiān)測(cè)、壁面壓力傳感器、流場(chǎng)錄像等診斷手段反應(yīng)滯后、靈敏度低，對(duì)精準(zhǔn)判斷微量漏水時(shí)刻無能為力，往往發(fā)現(xiàn)漏水故障時(shí)加熱器已嚴(yán)重?zé)龘p?？梢哉f，電極漏水故障有效診斷技術(shù)的缺失已嚴(yán)重滯后于電弧加熱器的發(fā)展水平，電弧加熱器試驗(yàn)亟需更為準(zhǔn)確、可靠、有效的在線監(jiān)測(cè)手段。

近年來，隨著高分辨率、高性能光譜測(cè)試系統(tǒng)的出現(xiàn)以及光纖耦合技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，以發(fā)射光譜技術(shù)為代表的非接觸式光譜學(xué)測(cè)量方法因具備流場(chǎng)多參數(shù)實(shí)時(shí)診斷的能力和對(duì)流場(chǎng)無干擾的優(yōu)點(diǎn)，成為了國(guó)際上高溫、高超設(shè)備流場(chǎng)診斷技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。相比于其他光譜診斷技術(shù)例如激光誘導(dǎo)熒光、激光吸收光譜等，發(fā)射光譜技術(shù)以高溫氣體自發(fā)輻射為基礎(chǔ)，光學(xué)系統(tǒng)及光路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在大功率電弧加熱器苛刻運(yùn)行環(huán)境下較容易實(shí)現(xiàn)。鑒于其上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外科研人員已在應(yīng)用發(fā)射光譜技術(shù)研究電弧加熱器內(nèi)高溫氣體溫度分布[13]、模型駐點(diǎn)輻射熱流[14]、材料表面催化效應(yīng)[15]等方面取得了一定成果，但將其用于電弧加熱器電極漏水故障診斷方面卻未見相關(guān)報(bào)道。中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院林鑫提出一種基于氫原子輻射的中高焓電弧加熱器漏水診斷方法，實(shí)現(xiàn)了某中高焓疊片式電弧加熱器(總焓高于12 MJ/kg，總溫高于5000 K)電極漏水故障診斷，并基于熱力學(xué)平衡假設(shè)對(duì)漏水初始時(shí)刻漏水量定量分析，這項(xiàng)工作填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在電弧加熱器漏水故障診斷研究方面的空白[16]。但經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法難以用于總焓范圍在2～12 MJ/kg的中低焓電弧加熱器，這是因?yàn)樵?～12 MJ/kg的總焓條件下，加熱器內(nèi)還達(dá)不到水完全分解成為氫原子的溫度，導(dǎo)致氫原子特征譜線輻射強(qiáng)度極弱，完全湮沒在加熱器內(nèi)壁面固體輻射以及高溫氣體輻射之中，從而導(dǎo)致該方法對(duì)中低焓電弧加熱器失效。

本文在前期發(fā)射光譜技術(shù)有效診斷中高焓電弧加熱器漏水故障的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展其應(yīng)用于中低焓電弧加熱器電極漏水判定的探索工作。以氧原子777.19 nm發(fā)射譜線作為目標(biāo)譜線，以精心設(shè)計(jì)的水冷光學(xué)測(cè)量壓縮片配合光纖收集發(fā)光，建立原子發(fā)射光譜漏水診斷系統(tǒng)。基于中低焓電弧加熱器漏水故障條件和正常運(yùn)行條件下高溫流場(chǎng)中的發(fā)射光譜特征，分析漏水判據(jù)，用于中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院某中低焓電弧加熱器漏水瞬態(tài)故障診斷。除此之外，通過標(biāo)定不同總焓條件下的報(bào)警閾值，對(duì)漏水判據(jù)進(jìn)行細(xì)化，保證該方法在單軌道-多總焓狀態(tài)氣動(dòng)熱試驗(yàn)中均有合適的靈敏度。本研究通過對(duì)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和測(cè)量方法的完善，大幅降低發(fā)射光譜技術(shù)對(duì)大型電弧風(fēng)洞復(fù)雜環(huán)境(電磁干擾、機(jī)械干擾、多總焓等)的應(yīng)用難度，為解決電弧加熱器漏水故障快速診斷開拓思路并進(jìn)行方法驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-04電弧風(fēng)洞上進(jìn)行，試驗(yàn)方案如圖1所示。FD-04電弧風(fēng)洞主要由電弧加熱器、噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓段和真空系統(tǒng)組成。試驗(yàn)中所用的中低焓電弧加熱器由首尾兩端電極區(qū)的陽(yáng)極、陰極，以及位于電極區(qū)中間的壓縮段組成，電極及壓縮段均采用高壓水冷卻。試驗(yàn)狀態(tài)由壓縮段長(zhǎng)度及加載在電弧加熱器電極的輸入電流、電壓、氣體流量來確定，該電弧加熱器典型總焓范圍為2～12 MJ/kg。

圖1 FD-04電弧風(fēng)洞及發(fā)射光譜測(cè)量系統(tǒng)布置示意圖

Fig.1Schematicoftheexperimentalset-upoftheFD-04facilityandtheemissionspectroscopymeasurementsystem

光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)布置于電弧加熱器下游、噴管收縮段上游的位置，通過一套與電弧加熱器匹配安裝的水冷光學(xué)測(cè)量壓縮片進(jìn)行光譜測(cè)量，圖1右下角是該光學(xué)壓縮片的簡(jiǎn)要示意圖。水冷光學(xué)測(cè)量壓縮片滿足電弧加熱器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)度、冷卻、氣密性要求，在光學(xué)測(cè)量壓縮片上設(shè)計(jì)了徑向通孔，并設(shè)計(jì)有一體安裝的石英窗口和透鏡組合，保證電弧加熱器內(nèi)高溫流場(chǎng)光譜信息聚焦于相連的石英光纖內(nèi)，利用石英光纖上安裝的可調(diào)衰減器可對(duì)光信號(hào)有效調(diào)節(jié)，防止光強(qiáng)過強(qiáng)導(dǎo)致信號(hào)過曝。光纖將采集的光信號(hào)傳導(dǎo)到光譜儀并進(jìn)行分光測(cè)量，原始光譜數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理終端分析處理，若判斷出現(xiàn)漏水故障，迅速將報(bào)警信號(hào)反饋至控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電弧風(fēng)洞系統(tǒng)的快速關(guān)停。

光譜測(cè)量采用美國(guó)海洋光學(xué)公司的QE65PRO型高靈敏度光譜儀，配備Toshiba 1024 pixel×58 pixel的面陣CCD，光譜測(cè)量范圍為280～980 nm，在選用10 μm的入射狹縫的基礎(chǔ)上，光譜分辨率Δλ為1.3 nm，Voigt線型。為實(shí)現(xiàn)漏水故障的快速診斷并保證試驗(yàn)系統(tǒng)的快速關(guān)停，光譜儀曝光時(shí)間設(shè)置為100 ms，即10 Hz的測(cè)量頻率。試驗(yàn)前利用1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)汞燈光源(Ocean Optics HG-1)和1臺(tái)鎢燈光源(Oriel 63945)對(duì)發(fā)射光譜測(cè)量系統(tǒng)的波長(zhǎng)和強(qiáng)度響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。考慮到該發(fā)射光譜測(cè)量系統(tǒng)采集到的光譜數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的軟件實(shí)時(shí)分析處理并作出漏水故障診斷(處理過程約為0.02 s)，實(shí)際上該光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)故障的響應(yīng)時(shí)間約為0.12 s。

需要說明的是，由于氣動(dòng)熱防護(hù)試驗(yàn)極為重要并且電弧加熱器設(shè)備較為昂貴，通過主動(dòng)注水的方式開展漏水故障診斷研究不可取，只能在氣動(dòng)熱試驗(yàn)中積累光譜數(shù)據(jù)，完善漏水判據(jù)。結(jié)合某氣動(dòng)熱試驗(yàn)，本文給出電弧加熱器總焓分別為9.8和11.6 MJ/kg出現(xiàn)漏水故障的診斷結(jié)果，總焓H0由平衡聲速流法計(jì)算得到[17]。

2 中低焓電弧加熱器漏水故障光譜特性及分析

圖2為總焓11.6 MJ/kg下光譜儀采集到的電弧加熱器漏水初始時(shí)刻和漏水前正常運(yùn)行下的光譜數(shù)據(jù)，為方便分析已將其歸一化處理。采集的光譜是寬帶譜和線狀譜的疊加，寬帶譜為壁面固體發(fā)光以及等離子體復(fù)合產(chǎn)生的寬帶輻射光的疊加，線狀譜為清晰的原子譜線，如圖2中所示的氧原子777.19 nm和氬原子794.82 nm發(fā)射譜線。

圖2 總焓11.6 MJ/kg下發(fā)射光譜原始數(shù)據(jù)示意圖

觀察圖2，在11.6 MJ/kg的焓值條件下，漏水初始時(shí)刻氫原子656.28 nm特征譜線輻射強(qiáng)度極其微弱、難以分辨，可以說完全湮沒在背景輻射之中，因此根據(jù)是否存在氫原子輻射特征譜線進(jìn)行漏水判定方法已不適用于焓值范圍在2～12 MJ/kg的中低焓電弧加熱器。然而氧原子777.19 nm特征發(fā)射譜線在漏水前后均具有較強(qiáng)的輻射強(qiáng)度，此外，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(shí)刻氧原子輻射強(qiáng)度相對(duì)于背景輻射強(qiáng)度有著顯著的變化。

考慮到氧原子輻射強(qiáng)度同時(shí)反映了加熱器運(yùn)行狀態(tài)，也與背景輻射、電流波動(dòng)、臺(tái)階切換等干擾因素密切相關(guān)，只利用其原始譜線輻射強(qiáng)度判定加熱器是否出現(xiàn)漏水故障是不合理的。為從中提取有用信息并用于電弧加熱器漏水故障診斷，本文對(duì)氧原子譜線強(qiáng)度變化采用了“相對(duì)強(qiáng)度”的處理方法。參考前期利用發(fā)射光譜技術(shù)判定中高焓電弧加熱器漏水故障的成功經(jīng)驗(yàn)[16]，將氧原子譜線強(qiáng)度定義為不受氧原子及其他組分干擾的背景光譜強(qiáng)度A1與其中心波長(zhǎng)為777.19 nm的寬帶光譜強(qiáng)度A2的比值IO777.19=A1/A2(積分帶寬均為6 nm)。如圖3所示，A1為764～770 nm的光譜強(qiáng)度積分值，該光譜區(qū)域與氧原子777.19 nm相近且不受到原子線干擾；A2為774.19～780.19 nm的光譜強(qiáng)度積分值(中心波長(zhǎng)為777.19 nm)。

圖3 氧原子777.19 nm特征光譜原始數(shù)據(jù)及相對(duì)強(qiáng)度

Fig.3RawemissionspectrumanddataprocessingforO777.19emissionintensitydeterminationat11.6MJ/kg

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4和5分別給出總焓為11.6和9.8 MJ/kg試驗(yàn)條件下獲得的氧原子777.19 nm寬帶光譜強(qiáng)度A2及其相對(duì)強(qiáng)度IO777.19隨時(shí)間的變化圖。由圖4可知，在20～30 s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，A1、A2及IO777.19均基本保持恒定(IO777.19≈0.306)，此外，弧室壓力及電壓電流監(jiān)測(cè)也非常穩(wěn)定，說明該時(shí)間段內(nèi)電弧加熱器工作正常。從30 s時(shí)刻開始，A1和A2明顯增大，A1增大幅度高于A2，且A1變化起始時(shí)刻略微早于A2，因此其比值IO777.19急劇增大，考慮到此時(shí)電弧加熱器輸入的工作參數(shù)沒有變化(電流、進(jìn)氣量等)，初步判斷加熱器在30 s時(shí)已經(jīng)發(fā)生漏水(試驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)停電極燒損照片印證漏水發(fā)生，見圖6)。此外，IO777.19變化幅度明顯強(qiáng)于A2，說明在該試驗(yàn)狀態(tài)下，IO777.19對(duì)漏水故障有著更高的靈敏度。在30～32.6 s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，冷卻水的泄漏大大影響了電弧加熱器內(nèi)部高溫流場(chǎng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致IO777.19與A2的顯著變化，且IO777.19變化幅度依然強(qiáng)于A2。33 s之后，A2減小至0，說明泄漏冷卻水已導(dǎo)致電弧熄滅。此外，33 s后IO777.19相比于穩(wěn)定階段強(qiáng)度變化明顯，這是由于電弧熄滅后壓縮片內(nèi)壁溫度迅速降低，其表面固體輻射強(qiáng)度已弱于光譜儀的電子噪聲造成的。

圖5為總焓9.8 MJ/kg試驗(yàn)條件下氧原子777.19 nm寬帶光譜強(qiáng)度A2及其相對(duì)強(qiáng)度IO777.19隨時(shí)間的變化。在電弧加熱器穩(wěn)定運(yùn)行階段，如圖5所示的57.6 s之前，A1、A2及IO777.19均基本保持恒定(IO777.19≈0.271)。值得注意的是，在此期間A1、A2有小幅度的起伏，而IO777.19則相對(duì)平穩(wěn)，說明采用比值的處理方法能有效消除狀態(tài)波動(dòng)等帶來的光強(qiáng)干擾。在57.6～58.4 s時(shí)間內(nèi)，IO777.19迅速增加而A2迅速減小，分析認(rèn)為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象最可能的原因是，此次漏水故障的漏水量較大導(dǎo)致電弧加熱器內(nèi)溫度迅速下降所致。與總焓11.6 MJ/kg狀態(tài)類似，IO777.19變化幅度也是明顯強(qiáng)于A2，說明在9.8 MJ/kg試驗(yàn)條件下，IO777.19對(duì)漏水故障也是有著更高的靈敏度。58.8 s之后，A2減小至0，說明電弧已經(jīng)熄滅，與總焓11.6 MJ/kg的試驗(yàn)現(xiàn)象一致；在該時(shí)刻后，壓縮片固體輻射極弱，已湮沒在光譜儀的電子噪聲中，從而導(dǎo)致IO777.19強(qiáng)度出現(xiàn)大幅跳躍。

圖4 總焓11.6 MJ/kg下氧原子譜線相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

圖5 總焓9.8 MJ/kg下氧原子譜線相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

圖6給出總焓分別為11.6和9.8 MJ/kg試驗(yàn)后電弧加熱器電極燒損照片。電極燒蝕壁面嚴(yán)重，漏水孔明顯，此外，電極內(nèi)壁表面燒蝕痕跡明顯，這是典型由于漏水造成的加熱器內(nèi)部短路而形成的。

對(duì)比圖4和5可知，即使采用了比值的處理方法，在電弧加熱器穩(wěn)定運(yùn)行階段，IO777.19在不同的總焓條件下依然差別明顯。為保證該方法在單軌道-多總焓狀態(tài)氣動(dòng)熱試驗(yàn)中均具有足夠的靈敏度，試驗(yàn)前可根據(jù)試驗(yàn)條件對(duì)報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)定，圖7為FD-04電弧風(fēng)洞開展的某軌道氣動(dòng)熱試驗(yàn)的氧原子光譜相對(duì)強(qiáng)度曲線及不同總焓所對(duì)應(yīng)的氧原子譜線相對(duì)強(qiáng)度，總焓狀態(tài)分別為6.6、9.8、7.5及11.6 MJ/kg，IO777.19分別為0.205、0.271、0.222及0.306。由圖7(a)可知，在光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定及光譜儀采集參數(shù)不變的情況下，獲得的IO777.19數(shù)值穩(wěn)定，其值僅取決于電弧加熱器試驗(yàn)狀態(tài)，因此可直接根據(jù)上述測(cè)定值設(shè)定診斷系統(tǒng)的漏水報(bào)警閾值。觀察圖7(b)，根據(jù)上述試驗(yàn)狀態(tài)獲得的氧原子譜線相對(duì)強(qiáng)度擬合曲線具有非常高的擬合精度(確定系數(shù)R-Square=0.999)，因此，該擬合曲線可為總焓在6.6～11.6 MJ/kg范圍內(nèi)漏水閾值的選取提供較為可靠的參考(報(bào)警閾值測(cè)定時(shí)也可能出現(xiàn)漏水故障，因此測(cè)定時(shí)也需設(shè)定漏水閾值以保護(hù)電弧加熱器)；此外，雖然氧原子相對(duì)輻射強(qiáng)度隨總焓降低而降低，但該擬合函數(shù)在更低的焓值狀態(tài)下能否適用還需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 下電弧加熱器電極燒損照片

(a)

(b)

Fig.7RelativeintensitymeasurementoftheO777.19emissionintensitiesundermultipletotalenthalpyconditions

上述試驗(yàn)方案及結(jié)果驗(yàn)證了該方法對(duì)中低焓電弧加熱器漏水故障快速、準(zhǔn)確判定的應(yīng)用潛力。為進(jìn)一步提高可靠性和靈敏度，在下一步工作中可從以下方面進(jìn)行優(yōu)化: (1) 數(shù)據(jù)積累。對(duì)氣動(dòng)熱防護(hù)試驗(yàn)而言，漏水故障停車不及時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失，誤報(bào)警造成的試驗(yàn)中途誤停車同樣也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真、試驗(yàn)失敗。因此在目前試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，需繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，完善漏水判據(jù)。(2) 采用高分辨率光譜儀。當(dāng)前試驗(yàn)所使用的光柵光譜儀分辨率較低，從而導(dǎo)致試驗(yàn)光譜的測(cè)量精度不足，增加了原子光譜相對(duì)強(qiáng)度的計(jì)算誤差，在本文數(shù)據(jù)分析方法的條件下，這會(huì)造成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度降低。下一步工作中，若能使用高分辨率光譜儀，一定會(huì)有效提高探測(cè)靈敏度。

4 結(jié) 論

針對(duì)總焓范圍2～12 MJ/kg的中低焓電弧加熱器漏水故障診斷技術(shù)匱乏的現(xiàn)狀，提出一種基于原子發(fā)射光譜的漏水故障診斷技術(shù)。通過分析中低焓電弧加熱器漏水故障條件和正常運(yùn)行下高溫流場(chǎng)的發(fā)射光譜特性，選擇氧原子777.19 nm發(fā)射譜線為目標(biāo)譜線，并提出利用鄰近背景光譜強(qiáng)度與其寬帶光譜強(qiáng)度(積分帶寬均為6 nm)的比值進(jìn)行判定的相對(duì)強(qiáng)度處理方法。在總焓H0分別為11.6和9.8 MJ/kg的2組發(fā)生漏水故障的工況下，獲得氧原子相對(duì)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，結(jié)合試驗(yàn)后電極燒蝕圖像分析，證明該技術(shù)應(yīng)用于中低焓電弧加熱器漏水故障診斷具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α４送?，為保證該方法在中低焓電弧加熱器的單軌道-多總焓狀態(tài)氣動(dòng)熱試驗(yàn)中均有合適的靈敏度，提出采用試驗(yàn)前對(duì)單狀態(tài)先期試驗(yàn)驗(yàn)證、并設(shè)定閾值的解決方案。最后，基于現(xiàn)有試驗(yàn)方案及結(jié)果，對(duì)該系統(tǒng)測(cè)量可靠性和測(cè)量能力提出改進(jìn)建議。