電弧加熱器銅污染組分效應(yīng)發(fā)射光譜定量研究

曾徽，陳智銘，閆憲翔，歐東斌，董永暉

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

隨著飛行器飛行速度越來(lái)越快，從跨越超聲速到高超聲速，飛行器熱防護(hù)問(wèn)題成為高超聲速飛行器設(shè)計(jì)的重中之重，而電弧加熱器是研究飛行器氣動(dòng)熱防護(hù)問(wèn)題的主要地面試驗(yàn)平臺(tái)[1-3]。電弧加熱器通過(guò)前后電極擊穿氣體，產(chǎn)生高壓熱電弧，試驗(yàn)氣體通過(guò)電弧加熱和噴管膨脹加速，模擬飛行器再入熱環(huán)境，從而進(jìn)行防熱材料地面考核試驗(yàn)。由于電弧加熱器前后電極采用紫銅材料，擊穿放電過(guò)程中銅電極發(fā)生燒蝕，電極長(zhǎng)時(shí)間工作后銅電極燒蝕不利于電弧加熱器的正常運(yùn)行[4-6]，同時(shí)電極燒蝕產(chǎn)生的銅原子進(jìn)入高溫試驗(yàn)氣流中，引入污染組分。研究表明，銅蒸汽引入等離子體氣流，會(huì)顯著改變等離子體的電導(dǎo)率、輻射發(fā)射系數(shù)等熱物性參數(shù)，并降低等離子體氣流溫度[7]，阿諾德工程發(fā)展中心(Arnold Engineering Devolopment Center,AEDC)的研究結(jié)果顯示，銅污染組分會(huì)改變等離子體氣流特性，影響等離子體電磁特性，不利于開(kāi)展微波傳輸?shù)孛婺M試驗(yàn)[4]，銅原子本身具有的強(qiáng)催化特性會(huì)對(duì)防熱材料氣動(dòng)熱地面試驗(yàn)考核產(chǎn)生影響[8]，這些都要求采用有效測(cè)量手段對(duì)銅電極燒蝕進(jìn)行有效診斷。由于電弧加熱器內(nèi)的高溫惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)測(cè)量手段采用接觸式測(cè)量的方式，無(wú)法有效測(cè)量電弧加熱器工作過(guò)程中銅電極燒蝕，長(zhǎng)期以來(lái)一直缺乏電極燒蝕銅污染組分的定量研究。

近年來(lái)，非接觸式光譜診斷技術(shù)的發(fā)展給高溫流場(chǎng)測(cè)量提供了全新的思路，其具有對(duì)流場(chǎng)多參數(shù)實(shí)時(shí)診斷、非接觸式測(cè)量、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，以激光吸收光譜技術(shù)和發(fā)射光譜測(cè)量技術(shù)為代表的非接觸式光譜測(cè)量技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外高溫、高速流場(chǎng)診斷的重要發(fā)展方向[9-10]。關(guān)于光譜診斷技術(shù)在電弧加熱器的應(yīng)用研究以斯坦福大學(xué)的Hanson課題組為代表： Kim[11]選用O、N、Ar、Cu等原子譜線(xiàn)，開(kāi)展對(duì)NASA Ames IHF 60 MW電弧加熱器弧室和自由流的在線(xiàn)診斷研究，采用獲得了電弧加熱器內(nèi)氣流溫度的定量信息，并利用CuI在793.3 nm附近的吸收躍遷，首次獲得了電弧加熱器銅原子濃度的定量結(jié)果；Nations等[12-13]開(kāi)展進(jìn)一步的流場(chǎng)診斷研究，通過(guò)多線(xiàn)同時(shí)測(cè)量的方法獲得了電弧加熱器內(nèi)空間分辨的測(cè)量結(jié)果。德國(guó)Stuttgart大學(xué)的Lohle等長(zhǎng)期致力于高溫光譜診斷技術(shù)的研究，利用發(fā)射光譜、激光吸收光譜開(kāi)展等離子體高溫流場(chǎng)和燒蝕組分流場(chǎng)的定性、定量研究[14-16]。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院利用原子激光吸收光譜技術(shù)和發(fā)射光譜技術(shù)，開(kāi)展了對(duì)電弧加熱器內(nèi)等離子體氣流和駐點(diǎn)激波層流場(chǎng)的定量研究[17-19]。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心應(yīng)用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)診斷技術(shù),初步獲得了電弧加熱器銅電極燒蝕的結(jié)果[20]。

本文利用發(fā)射光譜技術(shù)發(fā)展了一套高溫氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用于10 MW高焓疊片式電弧加熱器弧室氣流的在線(xiàn)診斷，獲得了等離子體氣流中銅原子濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，并研究了環(huán)形電極和管式電極2種電極形式下電極燒蝕情況?；谠摐y(cè)量系統(tǒng)，定量研究了不同電極形式、不同運(yùn)行電流、新舊電極等因素對(duì)電極燒蝕的影響，并建立判定電極失效的判據(jù)，用于保障電弧加熱器安全運(yùn)行，同時(shí)本文成果也為研究地面試驗(yàn)污染組分效應(yīng)提供了定量化測(cè)量手段。

1 發(fā)射光譜測(cè)量原理

原子發(fā)射光譜(OES)的輻射強(qiáng)度可表示為

(1)

式中：Aul為譜線(xiàn)的愛(ài)因斯坦發(fā)射系數(shù)，s-1；hul為普朗克常數(shù)，J·s；υu(píng)l為譜線(xiàn)躍遷的頻率，cm-1；nu為譜線(xiàn)高能級(jí)粒子數(shù)密度，cm-3；下標(biāo)“u”表示高能級(jí)，下標(biāo)“l(fā)”表示低能級(jí)。電弧加熱器通過(guò)電極之間擊穿放電，產(chǎn)生熱電弧，將進(jìn)入加熱器弧室內(nèi)的冷態(tài)試驗(yàn)介質(zhì)加熱至高溫狀態(tài)。加熱器弧室內(nèi)的高溫氣流，其流速很低，可假定為局部熱力學(xué)平衡態(tài)，相關(guān)研究結(jié)果驗(yàn)證了這一假設(shè)[21-23]。在滿(mǎn)足熱平衡等離子體條件下，高能級(jí)粒子數(shù)密度與總粒子數(shù)密度之間滿(mǎn)足Maxwell-Boltzmann分布：

(2)

式中：n0為總粒子數(shù)密度，cm-3；gu為高能級(jí)電子簡(jiǎn)并度；Q(T)為配分函數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)，J·K-1；Eu為高能級(jí)能量，cm-1；P和T分別為電弧加熱器弧室內(nèi)氣流壓力和氣流溫度；X為摩爾組分濃度。本實(shí)驗(yàn)中選取CuI的譜線(xiàn)和OI的譜線(xiàn)，對(duì)兩條譜線(xiàn)的強(qiáng)度ICu和IO進(jìn)行相比,結(jié)合式(1) 和式(2)可得

(3)

則銅原子濃度可以表示為

(4)

式中：A為愛(ài)因斯坦發(fā)射系數(shù)；λ0為譜線(xiàn)中心波長(zhǎng)。Colonna和Gapitelli給出了OI的配分函數(shù)[24]，即

(5)

CuI的配分函數(shù)可通過(guò)NIST(National Institute of Standards and Technology)原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)獲得[25]，OI和CuI配分函數(shù)均可表示為溫度的函數(shù)QO(T)和QCu(T)，具體定量關(guān)系如圖1 所示。

圖1 OI和CuI配分函數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)

圖2 空氣等離子體參數(shù)熱平衡計(jì)算[26]

同時(shí)，基于NASA熱化學(xué)平衡計(jì)算程序CEA[26],圖2(a)獲得了空氣熱平衡等離子體中氧原子濃度隨溫度(4 000～10 000 K)和壓力(0.1～1 MPa) 的變化趨勢(shì)，氧原子濃度可以表示為溫度和壓力的函數(shù)XO(T,P)。電弧加熱器弧室內(nèi)氣流壓力可以通過(guò)壓力傳感器直接測(cè)量獲得，則氧原子濃度可以表示為僅與溫度相關(guān)的函數(shù)XO(T)。因此，式(4)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(6)

電弧加熱器弧室內(nèi)的高溫氣流可以被認(rèn)定處于熱平衡、一元均質(zhì)流、定常狀態(tài)，依據(jù)Winovich給出的經(jīng)驗(yàn)公式[27]，電弧加熱器弧室內(nèi)的氣流總焓H0可以表示為

(7)

式中：P0為電弧加熱器弧室內(nèi)氣流總壓，弧室內(nèi)流速很低，采用弧室內(nèi)壁開(kāi)測(cè)壓孔的方式可直接測(cè)量電弧加熱器弧室總壓，MPa[27]；A*為噴管喉道面積,mm2；G為試驗(yàn)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)測(cè)量壓力P0和質(zhì)量流量G獲得電弧加熱器弧室內(nèi)的氣流總焓H0。

平衡聲速法適用于2.3～23 MJ/kg范圍內(nèi)氣流焓值測(cè)量，NASA Ames進(jìn)一步研究表明，在上述焓值范圍內(nèi)，平衡聲速法和ASTM標(biāo)準(zhǔn)測(cè)焓方法(能量平衡法)結(jié)果吻合一致，平衡聲速法仍然是電弧風(fēng)洞氣流焓值的首選方法之一[28]。

依據(jù)NASA CEA熱化學(xué)平衡計(jì)算，圖2(b)給出了氣流焓值與溫度、壓力的定量關(guān)系H(T,P)，電弧加熱器弧室內(nèi)氣流壓力直接測(cè)量獲得后，可以建立氣流焓值與氣流溫度之間的關(guān)系H(T)，結(jié)合式(7)獲得電弧加熱器弧室內(nèi)氣流焓值，即可反推獲得電弧加熱器弧室內(nèi)氣流溫度T。同時(shí)，采用光譜儀在線(xiàn)測(cè)量電弧加熱器弧室內(nèi)的輻射發(fā)光，各自獲得OI和CuI所選擇譜線(xiàn)的光譜強(qiáng)度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧加熱器內(nèi)等離子體氣流中銅原子含量的定量測(cè)量。

表1 原子譜線(xiàn)基本光譜參數(shù)[25]

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

本試驗(yàn)在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-04b高焓疊片式電弧風(fēng)洞上進(jìn)行。圖3給出了疊片式電弧風(fēng)洞運(yùn)行的示意圖，電弧加熱器首先通過(guò)進(jìn)入陽(yáng)極和陰極的氬氣介質(zhì)進(jìn)行起弧，并建立電弧通道，隨后進(jìn)入的冷態(tài)空氣試驗(yàn)介質(zhì)被熱電弧加熱，從而獲得高焓等離子體氣流，等離子體氣流經(jīng)收縮-擴(kuò)張錐形噴管加速后在噴管出口形成超聲速氣流，對(duì)噴管出口下游處的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行飛行器再入熱環(huán)境的地面模擬試驗(yàn)，開(kāi)展防熱材料的篩選考核。電弧加熱器的電極和組成電弧通道的疊片通過(guò)高壓水循環(huán)冷卻，保證電弧加熱器在高溫、高熱流條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定正常運(yùn)行。如圖3所示，電弧加熱器采用了2種電極形式：

1) 環(huán)形電極。環(huán)形電極是把短管式電極分成若干個(gè)環(huán)形電極組合在一起的電極形式，利用分弧電阻將大電流分配到多個(gè)電極，減少電極的最大通過(guò)電流，同時(shí)電極內(nèi)部冷卻水通道內(nèi)安裝多匝線(xiàn)圈，驅(qū)動(dòng)弧根快速旋轉(zhuǎn)，環(huán)形電極片之間安裝進(jìn)氣環(huán)并通入氬氣保護(hù)電極，這種電極形式可以大大降低電極燒損率，從而提高電極壽命，常用于大功率高焓、低壓、長(zhǎng)時(shí)間(千秒量級(jí))電弧加熱地面試驗(yàn)。

2) 管式電極。管式電極是借鑒管式電弧加熱器的電極形式，電極陽(yáng)極和陰極為一整體管狀結(jié)構(gòu)，并內(nèi)置線(xiàn)圈，驅(qū)動(dòng)弧根快速旋轉(zhuǎn)。大電流直接加載在管式電極之間，氬氣起弧后，通入試驗(yàn)介質(zhì)(空氣)，同時(shí)起弧氬氣停止通入，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中電弧等離子體熱氣流為純空氣介質(zhì)，可以更加真實(shí)地模擬飛行器再入環(huán)境。相比于環(huán)形電極，管式電極形式適用于開(kāi)展高焓、高壓氣動(dòng)熱地面試驗(yàn)。

電弧加熱器陰極和噴管收縮段之間的位置安裝有一套光學(xué)測(cè)量片，用于收集電弧加熱器內(nèi)輻射發(fā)光，并測(cè)量電極下游等離子體氣流的光譜特性。圖3左下角是光學(xué)測(cè)量片的簡(jiǎn)要示意圖，在光學(xué)測(cè)量片一側(cè)開(kāi)通孔(長(zhǎng)徑比L/D≥10)，并設(shè)計(jì)一體安裝的石英玻璃窗口和聚焦透鏡，采用該設(shè)計(jì)方式有利于采集氣流輻射光譜，并減少固體輻射的干擾。電弧加熱器內(nèi)高溫氣流的輻射發(fā)光穿過(guò)石英玻璃后被透鏡聚焦后，經(jīng)一根10 m長(zhǎng)、芯徑1 mm的多模光纖傳遞給光纖光譜儀并進(jìn)行分光處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體輻射光譜的實(shí)時(shí)、在線(xiàn)測(cè)量。光譜數(shù)據(jù)采集選用Ocean optics公司的QE65PRO型高靈敏度光譜儀，配備Toshiba1024像素×58像素的面陣CCD，光譜測(cè)量范圍為198～986 nm，光譜儀的儀器展寬為1.7 nm。本實(shí)驗(yàn)中光譜儀的測(cè)量頻率為50 Hz，發(fā)射光譜測(cè)試系統(tǒng)的波長(zhǎng)及強(qiáng)度響應(yīng)系數(shù)利用一臺(tái)200 W鹵鎢燈標(biāo)準(zhǔn)光源(Oriel 63355)進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 疊片電弧風(fēng)洞及OES診斷系統(tǒng)示意圖

本試驗(yàn)開(kāi)展了不同電極形式、不同運(yùn)行電流下電極銅原子燒蝕量的在線(xiàn)測(cè)量，對(duì)疊片電弧加熱器狀態(tài)重復(fù)性進(jìn)行了評(píng)估?；阢~原子測(cè)量結(jié)果，可以評(píng)估電極壽命，用于加熱器運(yùn)行安全診斷。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)處理

圖5 基于3條CuI譜線(xiàn)的濃度測(cè)量結(jié)果

圖5給出了一組典型工況下，3條CuI譜線(xiàn)測(cè)量獲得的銅原子濃度結(jié)果。從圖5(a) 中濃度隨時(shí)間變化測(cè)量結(jié)果可以看出，譜線(xiàn)2和譜線(xiàn)3獲得的銅原子濃度下降趨勢(shì)非常一致，譜線(xiàn)1獲得銅原子譜線(xiàn)強(qiáng)度下降速率要快于譜線(xiàn)2和譜線(xiàn)3，其原因在于：由式(4)可知，銅原子濃度值與溫度呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系，相比于譜線(xiàn)2和譜線(xiàn)3，譜線(xiàn)1具有更低的高能級(jí)能量，基于譜線(xiàn)1進(jìn)行銅原子濃度測(cè)量，其對(duì)溫度的靈敏度更高，圖5中起弧階段，電弧等離子體從被擊穿，到建立穩(wěn)定狀態(tài)，氣流溫度是一個(gè)逐漸上升直至穩(wěn)定的過(guò)程，起弧階段氣流溫度的變化，引起譜線(xiàn)1獲得銅原子濃度的下降趨勢(shì)更迅速。同時(shí)，3條譜線(xiàn)獲得的銅原子絕對(duì)濃度存在一定的差異，峰值濃度在(14～20)×10-6之間波動(dòng)，圖5(b)統(tǒng)計(jì)了2次試驗(yàn)下3條譜線(xiàn)所測(cè)量銅原子峰值濃度的結(jié)果，從多次試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，譜線(xiàn)3(521.8+522 nm) 的銅原子的峰值濃度與3條譜線(xiàn)濃度測(cè)量平均值基本一致。同時(shí)，由表1中譜線(xiàn)光譜參數(shù)和圖4原始光譜數(shù)據(jù)可知，譜線(xiàn)3具有最強(qiáng)的愛(ài)因斯坦發(fā)射系數(shù)和光譜強(qiáng)度，光譜信號(hào)具有最高的信噪比，光譜擬合殘差最小，其測(cè)量結(jié)果具有最高的置信度。因此，后續(xù)研究選用譜線(xiàn)3測(cè)量結(jié)果用于表征電弧加熱器不同電極形式和運(yùn)行參數(shù)下銅原子濃度變化，并采用譜線(xiàn)3測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 環(huán)形電極測(cè)量結(jié)果

圖6給出了環(huán)形電極疊片式電弧加熱器銅原子濃度變化結(jié)果。由圖6(a)可知，電弧加熱器開(kāi)始起弧，銅原子濃度迅速上升，起弧完成后，銅原子濃度開(kāi)始下降，并逐漸平衡，3次試驗(yàn)銅原子濃度保持一致的趨勢(shì)。電弧啟動(dòng)點(diǎn)弧時(shí)電極燒蝕較為嚴(yán)重的原因在于，電弧建立過(guò)程中弧根不穩(wěn)定，電弧通道未完全建立，電極燒蝕量較顯著。Kim[11]利用激光吸收光譜測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)NASA Ames 60 MW IHF疊片式電弧加熱器銅電極燒蝕的在線(xiàn)測(cè)量，其在195 kPa運(yùn)行壓力下、單對(duì)電極分弧電流342 A時(shí)銅原子的峰值濃度為13×10-6，圖6中3次試驗(yàn)的弧室壓力在210 kPa左右，單對(duì)電極分弧電流為380 A，銅原子峰值濃度在13～18×10-6之間變化，在相同類(lèi)型電極形式、類(lèi)似運(yùn)行試驗(yàn)條件下，本研究的測(cè)量結(jié)果與NASA Ames 60 MW IHF疊片式電弧加熱器銅原子測(cè)量結(jié)果吻合一致。如圖6(b)所示，電弧加熱器穩(wěn)定工作后，銅原子濃度回落，不同試驗(yàn)工況下銅原子濃度維持在一個(gè)較低的值(<1×10-6)，顯示電弧加熱器穩(wěn)定工作后電極銅原子的燒蝕量較小。同時(shí)，不同試驗(yàn)臺(tái)階變換時(shí)，銅原子濃度沒(méi)有發(fā)生明顯的跳躍增加，表明電弧加熱器不同試驗(yàn)狀態(tài)之間的過(guò)渡切換非常平穩(wěn)。Park[23]的研究表明，電極燒蝕在電弧放電建立、震蕩過(guò)程中比較顯著，當(dāng)電弧加熱器壓縮通道內(nèi)電弧穩(wěn)定后，并且壓縮片壁面熱流小于50 MW/m2時(shí)，電極和壓縮通道基本不發(fā)生燒蝕，本試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與其吻合一致。

圖6 環(huán)形電極銅原子濃度

需要強(qiáng)調(diào)的是，圖6中第1次試驗(yàn)為更換新電極后的首次試驗(yàn)，其銅原子濃度略低于后2次試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，其原因在于，新電極內(nèi)壁面光滑，電極長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)后電極內(nèi)壁面發(fā)生輕微燒損，無(wú)法保持完整光滑，隨著電極使用次數(shù)增加，電極燒蝕增加。同時(shí)，分析后2次試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果顯示，銅原子濃度在起弧過(guò)程和穩(wěn)定工作過(guò)程均具有非常好的重復(fù)性，顯示出疊片式電弧加熱器運(yùn)行狀態(tài)的一致性，這與疊片電弧加熱器壓縮電弧的特性有關(guān)，陰極和陽(yáng)極弧根固定于加熱器電極，弧根軸向位置幾乎不發(fā)生橫移，并在切向旋氣和磁場(chǎng)的作用下高速旋轉(zhuǎn)，從而保證電極具有低燒蝕率[29]。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中氣體用氣量為79.585 kg，結(jié)合實(shí)際測(cè)量的銅原子摩爾組分濃度結(jié)果，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中銅原子燒蝕量為0.274 g。

3.2 管式電極測(cè)量結(jié)果

圖7給出了管式電極疊片式電弧加熱器運(yùn)行過(guò)程中電極銅原子濃度測(cè)量結(jié)果。2次重復(fù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示：起弧階段銅組分濃度呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，起弧過(guò)程中銅原子濃度增加后迅速下降至平衡，但銅原子峰值濃度存在明顯差異，2次 試驗(yàn)的銅原子峰值濃度分別為177×10-6和337×10-6。電弧加熱器穩(wěn)定工作后銅電極燒蝕仍然明顯，銅原子摩爾組分濃度在(1～30)×10-6范圍內(nèi)劇烈波動(dòng)，并且2次試驗(yàn)銅原子變化趨勢(shì)不具有一致性。AEDC 研究中心H1高壓疊片電弧加熱器采用短管式電極類(lèi)似結(jié)構(gòu)，其在在50～100 Pa運(yùn)行壓力范圍內(nèi)電極燒蝕產(chǎn)生的銅原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200×10-6，摩爾分?jǐn)?shù)為90×10-6[4]。

圖7 管式電極銅原子濃度

圖8(a)給出了新電極在不同電流下銅原子峰值濃度的變化。由圖8 (a)可知，管式電極形式疊片電弧加熱器在較低運(yùn)行電流范圍(<1 000 A),銅原子峰值濃度基本小于10×10-6，新電極燒蝕較小；多次重復(fù)試驗(yàn)顯示，運(yùn)行電流在1000 A時(shí)銅原子峰值濃度在(20～45)×10-6之間波動(dòng)；當(dāng)電弧加熱器運(yùn)行電流高于1 200 A時(shí)，銅原子峰值濃度基本維持在(180～200)×10-6,新電極燒蝕量出現(xiàn)一個(gè)量級(jí)的增加，新電極燒蝕明顯增加，說(shuō)明在該電流運(yùn)行范圍內(nèi)電弧加熱器具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，具體數(shù)據(jù)可用于評(píng)估電弧加熱器安全運(yùn)行。圖8(b) 給出了運(yùn)行電流1 000 A下新、舊電極的銅原子測(cè)量結(jié)果，多次試驗(yàn)顯示，舊電極銅原子峰值濃度在(100～300)×10-6范圍內(nèi)波動(dòng)，新電極銅原子峰值濃度小于50×10-6，造成新、舊電極燒蝕出現(xiàn)明顯差異的原因與上述環(huán)形電極燒蝕測(cè)量結(jié)果原因類(lèi)似，新電極內(nèi)壁面光滑，舊電極表面有一定粗糙度，弧根旋轉(zhuǎn)過(guò)程中舊電極燒蝕更為明顯。

圖8 管式電極起弧過(guò)程銅原子峰值濃度變化

圖9給出了相同試驗(yàn)條件下管式電極-疊片電弧加熱器銅原子濃度的測(cè)量結(jié)果，可以用于表征電極的正常運(yùn)行和異常運(yùn)行工況。圖9中虛線(xiàn)測(cè)量結(jié)果顯示，電弧加熱器起弧，銅原子濃度出現(xiàn)劇烈上升，之后隨著加熱器運(yùn)行穩(wěn)定，銅原子濃度隨著下降，并基本平衡，基于該測(cè)量結(jié)果可以判定電極正常工作；相比之下，實(shí)線(xiàn)銅原子濃度變化趨勢(shì)顯示，起弧后銅原子濃度并沒(méi)有降低，銅原子濃度一直維持在一個(gè)較高的水平(>20×10-6)，該測(cè)量結(jié)果顯示銅電極出現(xiàn)持續(xù)性的燒蝕，電極異常工作，需要及時(shí)更換電極。銅原子濃度在線(xiàn)測(cè)量結(jié)果可以實(shí)時(shí)、定量的判定電極燒蝕變化和工作狀態(tài)，避免因電極燒蝕而引起的設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，從而保障設(shè)備安全運(yùn)行。

圖9 管式電極異常工況和正常工況對(duì)比

3.3 環(huán)形電極和管式電極對(duì)比

圖10給出了在相同運(yùn)行電流(I=1 150 A)下，多車(chē)次試驗(yàn)環(huán)形電極和管式電極銅原子峰值濃度測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)。由圖10可知，環(huán)形電極銅原子峰值濃度均小于20×10-6，而管式電極銅原子峰值濃度基本在(200～900)×10-6之間變化，管式電極燒蝕量高于環(huán)形電極一個(gè)量級(jí)，其原因在于，相比于環(huán)形電極，管式電極由于缺乏電流分弧，加載在單對(duì)電極的電流較大，同時(shí)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中管式電極缺乏氬氣介質(zhì)保護(hù)，造成其電極燒蝕要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)形電極。3次試驗(yàn)后環(huán)形電極銅原子燒蝕量只出現(xiàn)輕微增加，管式電極第5次試驗(yàn)銅原子峰值濃度就顯著高于之前4次試驗(yàn)結(jié)果，銅原子峰值濃度增加表明電極燒蝕加劇，結(jié)果表明環(huán)形電極壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管式電極。因此，依據(jù)銅原子測(cè)量結(jié)果，本文建立以下判據(jù)，判定加熱器燒蝕加劇，需要清理、更換電極：① 電弧起弧階段銅原子峰值濃度顯著高于正常值；② 電弧加熱器穩(wěn)定運(yùn)行后銅原子濃度仍然出現(xiàn)劇烈波動(dòng)；③ 電弧加熱器起弧后銅原子濃度沒(méi)有下降，穩(wěn)定運(yùn)行后銅原子濃度維持在一個(gè)較高的水平。

圖10 環(huán)形電極、管式電極銅原子峰值濃度

4 誤差分析

由式(6)和式(7)可知，銅原子濃度的測(cè)量誤差來(lái)源于5項(xiàng)：① 平衡聲速法經(jīng)驗(yàn)公式的偏差，Winovich[27]研究表明，在2.3～23 MJ/kg焓值范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)公式的擬合偏差在4%范圍內(nèi)，同時(shí)，在氣流焓值高于11.6 MJ/kg(≥5 000 Btu/lb (1 Btu/lb =2 326 J/kg))時(shí)，非平衡效應(yīng)引起的偏差在5%左右，因此,平衡聲速法經(jīng)驗(yàn)公式的偏差為6.4%； ② CuI原子譜線(xiàn)積分強(qiáng)度測(cè)量誤差；③ OI原子譜線(xiàn)積分強(qiáng)度測(cè)量誤差；④ 函數(shù)f(T) 的誤差；⑤ 氧原子摩爾組分濃度XO(T)的誤差。CuI和OI原子譜線(xiàn)積分強(qiáng)度的測(cè)量誤差來(lái)自于譜線(xiàn)擬合過(guò)程帶來(lái)的誤差，由圖4原始光譜數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以獲得擬合殘差，選用Voigt函數(shù)擬合的最大殘差作為CuI譜線(xiàn)和OI譜線(xiàn)積分強(qiáng)度的測(cè)量誤差。上述函數(shù)f(T)和氧原子濃度XO(T)的誤差來(lái)源于溫度T的測(cè)量誤差，進(jìn)一步來(lái)源于電弧加熱器氣流焓值H的誤差。由式(7)可知，氣流焓值的誤差來(lái)源：① 壓力P0測(cè)量誤差，本試驗(yàn)采用YZD-2B型壓力傳感器，量程0～500 kPa，精度為0.1%FS,考慮電弧加熱器穩(wěn)定工作時(shí)實(shí)測(cè)壓力的波動(dòng)，壓力測(cè)量誤差為1%；② 喉道面積A*測(cè)量誤差，喉道面積的測(cè)量誤差來(lái)自于噴管喉道的機(jī)械加工誤差和喉道內(nèi)壁邊界層引起的誤差，其誤差在2%左右；③ 質(zhì)量流量G測(cè)量誤差，本試驗(yàn)中質(zhì)量流量是通過(guò)聲速流量法計(jì)算獲得[27]，聲速?lài)娮斓牧髁繙y(cè)量誤差通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比，其誤差在1%左右?？紤]以上因素，采用式(7)平衡聲速法的焓值測(cè)量誤差為6.2%。依照?qǐng)D2(b)中氣流焓值與氣流溫度的定量關(guān)系進(jìn)行靈敏度分析，可以獲得電弧加熱器弧室內(nèi)氣流溫度的誤差。在此基礎(chǔ)上，依照?qǐng)D2(a) 和圖1分別分析XO(T)和fi(T)對(duì)溫度的靈敏度，可以獲得XO(T)和fi(T)的誤差，從而獲得不同因素對(duì)銅原子譜線(xiàn)測(cè)量的貢獻(xiàn)，具體如表2 所示,基于本方法，銅原子的測(cè)量誤差為19.6%。

表2 銅原子測(cè)量誤差評(píng)估

5 結(jié) 論

本研究發(fā)展了基于發(fā)射光譜的電弧加熱器高溫氣流在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅原子濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量。該測(cè)量系統(tǒng)作為電弧加熱器測(cè)試系統(tǒng)的常規(guī)組成部分，可以實(shí)時(shí)反映電弧加熱器電極燒蝕情況，用于判斷電弧加熱器電極工作狀態(tài)，保障電弧加熱器安全運(yùn)行，并且測(cè)量結(jié)果適用于開(kāi)展防熱材料地面試驗(yàn)考核過(guò)程銅原子污染組分效應(yīng)的定量研究，是用于電弧加熱器安全運(yùn)行判定和等離子體高溫氣流非接觸式測(cè)量的重要測(cè)量手段?；趯?shí)際獲得的銅原子濃度，獲得如下結(jié)論：

1) 環(huán)形電極電弧加熱器啟動(dòng)點(diǎn)弧階段，弧根不穩(wěn)定，電弧通道未完全建立，電極燒蝕量較顯著, 起弧后銅原子濃度迅速達(dá)到峰值，加熱器穩(wěn)定工作歐銅原子的燒蝕量顯著下降，銅原子濃度低于1 ppm并保持穩(wěn)定，電極燒蝕量非常小。

2) 管式電極起弧過(guò)程中銅原子變化趨勢(shì)與環(huán)形電極類(lèi)似，但電極燒蝕量要顯著高于環(huán)形電極，其原因與電極缺乏分弧和氬氣保護(hù)有關(guān)。

3) 管式新電極的燒蝕量隨著運(yùn)行電流的增加逐漸增加，在I<1 000 A下，銅電極燒蝕量較小；當(dāng)I>1 000 A時(shí)，銅電極燒蝕量出現(xiàn)一個(gè)量級(jí)的增加，同時(shí)對(duì)新電極和舊電極的測(cè)量結(jié)果顯示，舊電極燒蝕量要顯著高于新電極，其原因與舊電極內(nèi)壁面粗糙度增加，弧根旋轉(zhuǎn)時(shí)電極燒蝕增加有關(guān)。

4) 基于銅原子測(cè)量結(jié)果建立了判定電極失效的判據(jù)：① 電弧起弧階段銅原子峰值濃度顯著高于正常值；②電弧加熱器穩(wěn)定運(yùn)行后銅原子濃度仍然出現(xiàn)劇烈波動(dòng)；③ 電弧加熱器起弧后銅原子濃度沒(méi)有下降，穩(wěn)定運(yùn)行后銅原子濃度維持在一個(gè)較高的水平。

本文基于發(fā)射光譜開(kāi)展銅電極燒蝕量定量研究，現(xiàn)有方法的測(cè)量誤差在19.6%左右，測(cè)量誤差主要來(lái)源于光譜譜線(xiàn)擬合殘差和確定電弧加熱器弧室氣流溫度引入的誤差，其中譜線(xiàn)擬合殘差與光譜原始信號(hào)的信噪比有關(guān)，后續(xù)研究擬采用具有更高靈敏度、光譜分辨率更高的中階梯光譜儀開(kāi)展流場(chǎng)光譜診斷，從而實(shí)現(xiàn)更高信噪比的譜線(xiàn)測(cè)量。本文是利用平衡聲速法間接確定氣流的溫度，加上平衡聲速法公式本身的偏差，引入較大測(cè)量誤差，后續(xù)研究采用激光吸收光譜，可直接測(cè)量獲得電弧加熱器弧室內(nèi)熱平衡氣流的溫度?；诩す馕展庾V結(jié)合發(fā)射光譜的光學(xué)非接觸式測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)更高精度的電弧加熱器電極燒蝕定量研究。下一步研究工作重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)電弧風(fēng)洞自由流和防熱材料駐點(diǎn)激波層內(nèi)銅原子濃度的在線(xiàn)診斷，分析地面試驗(yàn)污染效應(yīng)對(duì)于防熱材料氣動(dòng)熱考核的影響。