火星是太阳系八大行星之一, 是除了金星以外, 距离地球最近的行星, 由于火星与地球的某些物理特性类似以及其独特的地形地貌, 是一颗承载人类最多梦想的星球, 引起了人类对火星探测的浓厚兴趣, 是人类目前发射探测器最多的行星^{[1, 2]}。 火星探测起步于20世纪60年代, 苏联1960年10月10日发射人类首颗火星探测器、 揭开火星探测的序幕开始, 截止目前共实施了四十多次活动, 其中大部分任务因故障而失败, 只有较少的任务取得部分成功或完全成功^{[3, 4]}。 2021年我国“ 天问一号” 同时携带了轨道器、 着陆器和巡视器, 在一次火星探测过程中成功实现了环绕、 着陆和巡视探测三大任务, 使中国航天走向更远深空的里程碑工程。 火星大气成分以CO₂介质为主, 火星进入过程和地球再入有很大差异, 特别是进入器身处火星大气环境, 其进入过程为非空气介质的高速流动, 将产生特殊且严重的气动和防热问题^{[5, 6]}, 火星大气流动伴有激波层离解和电离、 热力学和化学非平衡、 表面催化和烧蚀等真实气体效应。 CO₂主导的离解反应机理、 平衡/非平衡状态和表面热状态有别于空气, 高焓离解组分与表面材料作用表现出特有的催化特性, 显著影响气动热环境。 复杂的非平衡、 催化、 烧蚀等特性给研究带来不确定度, 增加了气动热环境预测的难度, 对地面热环境模拟和热防护试验提出了挑战。 电弧加热器因其可以提供较为真实的气动加热环境, 自20世纪50年代以来一直是各类高超声速飞行器地面热防护试验的核心设备, 在火星进入器热防护试验方面开展了大量热防护试验研究^[7]。 中国航天空气动力技术研究院发展了火星防热设计气动热地面试验技术, 成功开展了“ 天问一号” 火星进入器热防护设计的地面考核试验研究。 针对对于火星进入器热环境更精确模拟和防热系统精细化设计的更进一步需求, 目前的电弧加热试验, 除了满足对于热环境宏观参数(焓值、 热流、 压力)的模拟, 需要开展对于火星进入流场特性的定量研究, 为研究火星进入器气动热环境和防热材料烧蚀-催化特性提供支撑^[8]。

以激光吸收光谱为代表的光谱诊断技术因其非接触式测量、 组分浓度、 温度多参数定量能力, 在飞行器再入/进入地面试验流场特性研究获得了广泛的应用^[9]。 德国冯卡门流体研究中心的Jason M Meyers等利用激光吸收光谱技术, 实现了对于火星进入地面自由流温度的在线诊断^[10]。 Erwan Pannier等基于发射光谱方法, 实现了火星进入器前体辐射(CO₂、 CO)的宽谱带测量结果^[11]。 Joshua Weisberger等基于CO₂激光吸收光谱技术, 在LENS-XX膨胀管开展了火星进入地面试验条件下材料近壁面流场特性的定量研究, 为研究材料近壁面催化特性提供了数据支撑。 Mitchell Spearrin等利用中红外激光吸收光谱技术, 基于CO多条谱线在激光管中实现对火星大气进入条件非平衡特性的定量诊断, 获得了非平衡振动、 转动和平动温度的测量结果^[12]。 新型的中红外量子级联激光吸收光谱诊断技术可以实现相比于常规吸收光谱诊断技术高出2~3个量级的探测能力, 在气动热高焓流场诊断研究方面有重要的应用潜力^[13]。

本研究基于发展的中红外吸收光谱诊断技术, 开展对电弧加热火星进入流场模拟试验流场特性的研究, 获得了自由流温度和关键CO组分的在线定量结果, 提升了目前电弧加热设备对火星进入热环境的模拟和测量能力, 为研究火星进入热环境和材料催化效应提供了量化手段。

激光吸收光谱技术(TDLAS)的测量原理满足比尔-朗伯特(Beer-Lambert)定律, 频率为ν 的准直激光通过待测高温流场, 特定波长的激光信号被气体分子/原子吸收, 透射的激光光强I_ν 和入射的激光光强I₀满足式(1)关系

IνI0=exp(-αν)(1)

式(1)中, α _ν 为频率ν (cm^-1)的吸收系数, 其满足

αν=PXS(T)ϕ(ν-ν0)L(2)

式(2)中, P为待测流场的压力(atm)、 X为待测分子/原子的浓度, L是光程的吸收长度(cm), ϕ (ν -ν ₀)表示谱线的线型函数, 且满足 ∫ϕ(ν-ν0)dν=1。S(T)是谱线的线强度(cm^-1· atm^-1), 满足式(3)关系

S(T)=S(T0)Q(T0)Q(T)T0Texp-hcE″k1T-1T0·1-exp-hcν0kT1-exp-hcν0kT0-1(3)

式(3)中, Q(T)为待测分子/原子的配分函数。 E″为谱线的低能级能量(cm^-1), h为普朗克常数, c是光速, k是玻尔兹曼常数, T₀一般取296 K。 对谱线吸收系数α _ν 进行积分运算, 得到积分吸收率A

A=∫-∞+∞ανdν=PXS(T)L(4)

实际吸收光谱中谱线都有一定展宽, 在谱线中心频率附近存在一个强度分布, 称之为谱线加宽。 引起谱线加宽的机制有多种, 以均匀展宽和非均匀展宽两种为主, 本研究电弧加热自由流为低气压环境(< 5 kPa), 气体加宽以Gauss加宽占据主导(Gauss加宽: 0.01~0.02 cm^-1; Lorentz加宽: < 7.5× 10^-4 cm^-1), Gauss线型函数来自加宽机制中的非均匀Doppler加宽, 其加宽函数可以如式(5)表示

ϕD(v)=2ΔνDln2πexp-4ln2ν-ν0ΔνD(5)

其中Doppler半高全宽(FWHM)Δ ν _D表示为

ΔνD=ν08kTln2mc2=7.1623×10-7ν0TM(6)

式(6)中, ν ₀为待测组分谱线吸收跃迁的中心频率, c是光速, k是玻尔兹曼常数, m是分子质量, M表示待测组分的摩尔质量, T是气流温度。 结合式(4)和式(6), 温度和浓度可以分别表示为如式(7)形式

T=MΔνD7.1623×10-7ν02X=APLS(T)(7)

利用一座300 kW研究型电弧风洞, 开展了模拟火星大气气氛下的电弧加热地面试验, 利用中红外激光吸收光谱诊断技术对喷管出口自由流气流参数进行在线测量。 对于火星大气, 其主要成分为CO₂, 高温流场内气体离解反应和复合反应的核心涉及气流组分浓度和气流温度等流场参数, CO是表征火星进入离解和表面催化复合过程的关键组分, 通过对电弧加热高温流场CO组分和气流温度的在线定量, 对于认识火星进入高温流场特性具有重要意义。 如图1所示, 电弧风洞由电弧加热器、 喷管、 试验舱以及配套真空系统组成。 电弧加热器通过阳极和阴极之间高压瞬间击穿, 产生电弧, 对进入的CO₂介质加热, 被加热的高温气流经过喷管膨胀加速, 在实验舱喷管出口形成高温高速流场, 从而实现对火星进入器气动加热环境的模拟, 具体的模拟参数如表 1所示。 针对进入火星大气的气动热考核需求, 本研究中采用纯CO₂介质模拟火星大气的气动热环境。

图1

Fig.1

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	图1 电弧加热火星进入流场中红外激光吸收光谱诊断系统示意图Fig.1 Schematic of Mid-IR laser absorption sensor for arc-heated plasma flow of Mars entry

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 火星进入地面试验模拟参数 Table 1 Simulated experimental condition for Mars entry 序号 焓值/(MJ· kg-1) 总压/MPa 试验工质 1 9 0.05 CO2: 100%

表1 火星进入地面试验模拟参数 Table 1 Simulated experimental condition for Mars entry

图1为中红外激光吸收光谱测量系统的布置。 该系统包含激光发射端和激光接收端两部分, 分别布置在电弧风洞试验舱的两侧, 激光测量位置位于喷管下游100 mm, 对应开展防热材料驻点试验时试验模型与喷管之间的相对位置。 激光发射端主要包括激光器及控制器和信号发生器, 激光接收端包括热电制冷InSb探测器和示波器。 激光控制器通过温度和电流调节改变激光器的输出波长和频率, 通过信号发生器输出锯齿波信号实现激光频率的调谐。 激光器输出的激光信号通过试验舱两侧的蓝宝石窗口进入待测流场, 透射的激光信号被InSb探测器接收, 经热电转换被示波器采集。 对于中红外激光吸收光谱测量, 合适的谱线选择是进行光谱诊断的关键, 主要选择高信噪比和孤立谱线。 对于电弧加热地面试验自由流, 其主要成分为CO₂和离解产生的CO和O, 原子O谱线主要位于紫外-可见波段, 对于CO组分中红外测量可以忽略不计。 图2为火星进入流场典型条件下激光器调谐范围内CO和CO₂的理论计算吸收光谱。 结果显示: CO₂光谱谱线与CO谱线彼此孤立, 且CO谱线吸收率远远高于CO₂的吸收率, 可忽略CO₂吸收谱对CO谱线测量的干扰。 同时, 考虑吸收信号的信噪比, 最终选择CO中心波长为2 212.625 cm^-1(ν ″=0, R(19))的谱线, 具体的谱线光谱参数见表2所示。

图2

Fig.2

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	图2 火星进行流场吸收光谱理论计算: 15%CO, 80%CO2 T=2 000 K, P=5 kPa, L=5 cmFig.2 Calculated spectra of 15%CO and 80%CO2 for experimental conditions of Mars entry T=2 000 K, P=5 kPa, L=5 cm

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 CO吸收光谱谱线光谱参数[14] Table 2 Fundamental spectroscopic data for Candidate CO line[14] 序号 中心频率 ν 0/cm-1 跃迁 (ν ″, J″) 线强度S(296 K) /(cm-2· atm-1) 低能级能量 E″/cm-1 1 2 212.625 0, R(19) 1.375 729.677

表2 CO吸收光谱谱线光谱参数[14] Table 2 Fundamental spectroscopic data for Candidate CO line[14]

图3(a, b)为火星进入电弧加热地面试验的原始吸收信号和单周期吸收信号数据处理过程。 激光信号采用锯齿波信号进行波长调谐, 锯齿波频率为100 Hz, 吸收峰包含上升沿和下降沿两部分, 实际的光谱测量频率为200 Hz, 可以有效地捕捉高温气流参数的变化。 如图3(b)所示, 基于基线拟合和Gauss拟合数据过程, 可以获得单周期的光谱吸收率, 从图中可以看到此时刻CO的光谱峰值吸收率超过1, 光谱信号具有非常高的信噪比, 上述Gauss拟合过程得到光谱吸收信号的积分吸收率A和谱线半宽Δ ν _D, 由式(7)可以获得气流静温和CO浓度的结果。

图3

Fig.3

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	图3 光谱吸收测量结果 (a): 原始吸收信号; (b): Gauss拟合Fig.3 Measured spectra results (a): Raw absorption signal; (b): Gauss fitting

图4上、 下分别为火星进入电弧加热地面试验自由流静温和CO摩尔浓度的测量结果。 从气流静温和CO浓度实时结果可以明显看出, 电弧加热试验可以分为三个阶段: (1)阶段1(t=6.6~8.1 s)为高频起弧阶段: 电弧加热器通入少量CO₂, 并利用高频电源进行起弧, 迅速建立电弧通道, 此阶段内电弧加热器气流温度迅速上升, CO₂高温下迅速离解, 产生CO, 引起自由流测量位置出口温度和CO浓度的迅速上升; (2)阶段2(t=8.7~36 s)为稳定运行阶段, 电弧加热器切换为直流模式运行, 之后迅速建立稳定的火星进入地面模拟流场。 从图中温度和浓度测量结果可以看出, 此时间段内气流静温和CO浓度基本保持稳定: 气流静温的平均值约1 720 K, CO摩尔浓度平均值约0.161。 阶段2稳定运行时间段内, 自由流静温和CO浓度出现了小幅的波动, CO浓度波动幅度要高于气流静温的变化, 其原因在于CO浓度的变化是气流静温变化和组分之间(CO₂↔ CO)离解复合反应两部分叠加的结果; (3)阶段3(t=36~37 s)为试验结束后, 自由流静温和CO浓度迅速下降, 自由流静温迅速接近试验舱内真空静温, CO浓度下降, 但并没有接近于0, 说明试验舱内仍然存在残留的CO。 值得注意的是, 从气流温度和CO浓度的变化可以看到, 在阶段1和阶段2之间(t=8.1~8.7 s)存在一个明显的过渡: 在高频起弧成功, 自由流静温和CO浓度达到峰值后, 自由流静温和CO浓度又迅速回落, 直至阶段2后才出现温度和浓度的回升, 其原因与电弧加热器的工作模式有关: 阶段1电弧加热器采用高频交流电源进行起弧, 阶段2稳定运行阶段电弧加热器采用大功率直流电源运行, 两套电源切换的时间差引起了电弧加热器内气流温度的变化, 导致自由气流温度和CO浓度发生上述变化。

图4

Fig.4

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	图4 火星进入模拟自由流温度和CO浓度结果Fig.4 Results of the measured temperature and CO mole fraction of freestream for Mars entry simulation

图5为相同状态下重复试验的自由流静温和CO摩尔浓度统计结果。 六次重复试验自由流静温的平均值在(1 757± 69) K, CO摩尔浓度的平均值在0.189± 0.027, 表明电弧风洞除了满足对火星进入热环境宏观参数(焓值、 热流、 压力)的模拟, 对于火星进入流场热化学微观参数的模拟具有非常好的重复性。 六次重复试验自由流温度的波动(3.9%)远远低于CO组分浓度的波动(14.3%), 这个差异与图4中单次试验阶段2稳定运行阶段中温度和CO浓度波动的差异一致。

图5

Fig.5

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	图5 重复试验温度和CO浓度统计结果Fig.5 Statistics results of the measured temperature and CO mole fraction for repeatable tests

研究应用中红外量子级联激光吸收光谱测量技术, 开展了对大功率电弧风洞火星进入地面模拟流场的在线诊断研究, 获得了火星进入典型热环境下电弧加热自由流静温和关键组分CO摩尔浓度的定量测量结果。 火星进入典型状态下自由流静温和CO摩尔组分浓度分别为1 720 K和0.161, 整个运行时间内温度和浓度参数基本保持稳定, 证明电弧风洞模拟流参数非常稳定。 重复试验显示自由流静温和CO摩尔组分浓度分别在(1 757± 69)K和(0.189± 0.027), 显示电弧风洞建立的火星进入流场具有非常好的重复性。 单次试验和重复试验的结果均显示自由流静温的波动要远远小于CO摩尔组分浓度波动, 显示了电弧加热流场热力学过程和组分化学变化过程的差异。 本研究针对电弧加热火星进入流场的光谱定量研究, 为研究火星进入热环境过程提供了流场热、 化学参数变化的实时量化结果, 从而为评估再入热环境和材料防热系统设计提供精细化测量能力和手段。