Atomic emission spectroscopy diagnostics for leak detection of cooling water in a low-enthalpy arc heater
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摘要: 电弧加热器试验中存在电极局部烧穿漏水导致电弧加热器严重烧损的风险，对漏水故障的快速诊断可大大提升电弧加热器的运行安全性。由于电弧加热器内高温气流的恶劣环境，漏水故障诊断技术匮乏。针对总焓范围2~12 MJ/kg的中低焓电弧加热器，提出一种基于原子发射光谱的漏水故障诊断技术。通过分析中低焓电弧加热器漏水故障条件和正常运行下高温流场的发射光谱特性，选择氧原子777.19 nm发射谱线为目标谱线，采用相对强度的处理方法，实时监测该中低焓电弧加热器是否发生漏水故障。试验获得了总焓H0分别为11.6和9.8 MJ/kg共2组工况下氧原子相对辐射强度的变化规律，结合电极烧蚀图像分析，证明该技术应用于中低焓电弧加热器漏水故障诊断具有较强的发展潜力。最后，提出该技术在单轨道-多焓值状态气动热试验条件下，每个状态均保证较高灵敏度的解决方案。Abstract: Arc-heated facilities play an important role in the development of thermal protection materials and heat shield structures for entry vehicles. Owing to the intensive heat fluxes generated by the arc root at the electrode surface, the erosion of the electrode is inevitable and there exists a risk of the cooling water leaking from the electrodes due to the accumulation erosion of the electrode material. It is well acknowledged that the arc heater can be severely damaged due to the late leak detection. Therefore, the development of fast response and accurately quantitative diagnostic techniques for leak detection of cooling water in an arc heater would be highly beneficial. Due to the harsh conditions inside the arc heater, especially for the low-enthalpy arc heater (total enthalpy range:2~12 MJ/kg), choices for the diagnostic methods are limited. Optical emission spectroscopy (OES) is a powerful tool to probe atoms and molecules which has been used in many areas such as chemical kinetics, non-equilibrium radiation, and so on. This paper presents an experimental investigation of the application of OES in the leak detection of cooling water for a low-enthalpy arc-heated wind tunnel (FD-04). According to the spectral characteristics of the high-temperature flow field in the FD-04 arc heater, the 777.19 nm emission spectral line of the atomic oxygen (O777.19) is utilized for monitoring the operating status and determining the leakage of the cooling water. A relative intensity determination method for the O777.19 emission is proposed and water leakage failures are successfully diagnosed under two test conditions at total enthalpy values of 11.6 and 9.8 MJ/kg. A solution is proposed that the diagnostic technology keeps high enough sensitivity for multiple total enthalpy conditions. This work demonstrates the potential of using the OES technique for leak detection of cooling-water in a low-enthalpy arc-heated facility.
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Keywords:
- total enthalpy /
- arc heater /
- atomic oxygen /
- emission spectroscopy /
- leak detection
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0 引言
电弧加热器可以复现飞行器高速飞行时的主要热参数(总焓、热流等)，是世界各国进行高超声速飞行器防热材料筛选和热防护系统考核的主要地面试验设备[1-6]。电弧加热器通过加载在电极两端的高电压产生电弧并加热试验气体，由于高电压、大电流加载在电极上产生的巨大热流及加热器内高温气体冲刷等因素的综合作用，必然会导致电弧加热器电极的烧蚀。为延长电极寿命及提高其工作可靠性，研究人员一方面建立多种数值模型，深入开展电极烧蚀机理研究，对电极优化设计[7-9]；另一方面利用高压水冷却并配合磁场旋转弧根、多电极分流技术等提高电极抗烧蚀能力[10-11]。即便如此，电极烧蚀仍不可避免，烧蚀量累积导致电极烧穿漏水的风险依然存在。若电极烧穿漏水，高压冷却水会迅速进入电弧加热器，造成其内部短路进而严重烧伤甚至烧毁，特别是对于数百秒甚至数千秒的长时间气动热试验，更加剧了发生这种故障的可能性[12]。因此，如何在大功率电弧加热器的苛刻运行条件下，通过有效测量手段准确判定电弧加热器电极漏水故障前期-微量漏水时刻，从而及时关停试验系统是非常有意义的。而传统的电流电压波动监测、壁面压力传感器、流场录像等诊断手段反应滞后、灵敏度低，对精准判断微量漏水时刻无能为力，往往发现漏水故障时加热器已严重烧损。可以说，电极漏水故障有效诊断技术的缺失已严重滞后于电弧加热器的发展水平，电弧加热器试验亟需更为准确、可靠、有效的在线监测手段。
近年来，随着高分辨率、高性能光谱测试系统的出现以及光纤耦合技术的长足进步，以发射光谱技术为代表的非接触式光谱学测量方法因具备流场多参数实时诊断的能力和对流场无干扰的优点，成为了国际上高温、高超设备流场诊断技术的发展热点。相比于其他光谱诊断技术例如激光诱导荧光、激光吸收光谱等，发射光谱技术以高温气体自发辐射为基础，光学系统及光路设计简单，在大功率电弧加热器苛刻运行环境下较容易实现。鉴于其上述优点，国外科研人员已在应用发射光谱技术研究电弧加热器内高温气体温度分布[13]、模型驻点辐射热流[14]、材料表面催化效应[15]等方面取得了一定成果，但将其用于电弧加热器电极漏水故障诊断方面却未见相关报道。中国航天空气动力技术研究院林鑫提出一种基于氢原子辐射的中高焓电弧加热器漏水诊断方法，实现了某中高焓叠片式电弧加热器(总焓高于12 MJ/kg，总温高于5000 K)电极漏水故障诊断，并基于热力学平衡假设对漏水初始时刻漏水量定量分析，这项工作填补了国内在电弧加热器漏水故障诊断研究方面的空白[16]。但经试验验证，该方法难以用于总焓范围在2~12 MJ/kg的中低焓电弧加热器，这是因为在2~12 MJ/kg的总焓条件下，加热器内还达不到水完全分解成为氢原子的温度，导致氢原子特征谱线辐射强度极弱，完全湮没在加热器内壁面固体辐射以及高温气体辐射之中，从而导致该方法对中低焓电弧加热器失效。
本文在前期发射光谱技术有效诊断中高焓电弧加热器漏水故障的基础上，进一步开展其应用于中低焓电弧加热器电极漏水判定的探索工作。以氧原子777.19 nm发射谱线作为目标谱线，以精心设计的水冷光学测量压缩片配合光纤收集发光，建立原子发射光谱漏水诊断系统。基于中低焓电弧加热器漏水故障条件和正常运行条件下高温流场中的发射光谱特征，分析漏水判据，用于中国航天空气动力技术研究院某中低焓电弧加热器漏水瞬态故障诊断。除此之外，通过标定不同总焓条件下的报警阈值，对漏水判据进行细化，保证该方法在单轨道-多总焓状态气动热试验中均有合适的灵敏度。本研究通过对光学测量系统的优化设计和测量方法的完善，大幅降低发射光谱技术对大型电弧风洞复杂环境(电磁干扰、机械干扰、多总焓等)的应用难度，为解决电弧加热器漏水故障快速诊断开拓思路并进行方法验证。
1 试验设备
本试验在中国航天空气动力技术研究院FD-04电弧风洞上进行，试验方案如图 1所示。FD-04电弧风洞主要由电弧加热器、喷管、试验段、扩压段和真空系统组成。试验中所用的中低焓电弧加热器由首尾两端电极区的阳极、阴极，以及位于电极区中间的压缩段组成，电极及压缩段均采用高压水冷却。试验状态由压缩段长度及加载在电弧加热器电极的输入电流、电压、气体流量来确定，该电弧加热器典型总焓范围为2~12 MJ/kg。
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图 1 FD-04电弧风洞及发射光谱测量系统布置示意图Fig. 1 Schematic of the experimental set-up of the FD-04 facility and the emission spectroscopy measurement system光学测量系统布置于电弧加热器下游、喷管收缩段上游的位置，通过一套与电弧加热器匹配安装的水冷光学测量压缩片进行光谱测量，图 1右下角是该光学压缩片的简要示意图。水冷光学测量压缩片满足电弧加热器长时间运行时的强度、冷却、气密性要求，在光学测量压缩片上设计了径向通孔，并设计有一体安装的石英窗口和透镜组合，保证电弧加热器内高温流场光谱信息聚焦于相连的石英光纤内，利用石英光纤上安装的可调衰减器可对光信号有效调节，防止光强过强导致信号过曝。光纤将采集的光信号传导到光谱仪并进行分光测量，原始光谱数据经数据处理终端分析处理，若判断出现漏水故障，迅速将报警信号反馈至控制系统，从而实现整个电弧风洞系统的快速关停。
光谱测量采用美国海洋光学公司的QE65PRO型高灵敏度光谱仪，配备Toshiba 1024 pixel×58 pixel的面阵CCD，光谱测量范围为280~980 nm，在选用10 μm的入射狭缝的基础上，光谱分辨率Δλ为1.3 nm，Voigt线型。为实现漏水故障的快速诊断并保证试验系统的快速关停，光谱仪曝光时间设置为100 ms，即10 Hz的测量频率。试验前利用1台标准汞灯光源(Ocean Optics HG-1)和1台钨灯光源(Oriel 63945)对发射光谱测量系统的波长和强度响应系数进行标定。考虑到该发射光谱测量系统采集到的光谱数据由实验室自主研发的软件实时分析处理并作出漏水故障诊断(处理过程约为0.02 s)，实际上该光谱测量系统对故障的响应时间约为0.12 s。
需要说明的是，由于气动热防护试验极为重要并且电弧加热器设备较为昂贵，通过主动注水的方式开展漏水故障诊断研究不可取，只能在气动热试验中积累光谱数据，完善漏水判据。结合某气动热试验，本文给出电弧加热器总焓分别为9.8和11.6 MJ/kg出现漏水故障的诊断结果，总焓H0由平衡声速流法计算得到[17]。
2 中低焓电弧加热器漏水故障光谱特性及分析
图 2为总焓11.6 MJ/kg下光谱仪采集到的电弧加热器漏水初始时刻和漏水前正常运行下的光谱数据，为方便分析已将其归一化处理。采集的光谱是宽带谱和线状谱的叠加，宽带谱为壁面固体发光以及等离子体复合产生的宽带辐射光的叠加，线状谱为清晰的原子谱线，如图 2中所示的氧原子777.19 nm和氩原子794.82 nm发射谱线。
观察图 2，在11.6 MJ/kg的焓值条件下，漏水初始时刻氢原子656.28 nm特征谱线辐射强度极其微弱、难以分辨，可以说完全湮没在背景辐射之中，因此根据是否存在氢原子辐射特征谱线进行漏水判定方法已不适用于焓值范围在2~12 MJ/kg的中低焓电弧加热器。然而氧原子777.19 nm特征发射谱线在漏水前后均具有较强的辐射强度，此外，与电弧加热器正常状态下的发射光谱相比，漏水初始时刻氧原子辐射强度相对于背景辐射强度有着显著的变化。
考虑到氧原子辐射强度同时反映了加热器运行状态，也与背景辐射、电流波动、台阶切换等干扰因素密切相关，只利用其原始谱线辐射强度判定加热器是否出现漏水故障是不合理的。为从中提取有用信息并用于电弧加热器漏水故障诊断，本文对氧原子谱线强度变化采用了“相对强度”的处理方法。参考前期利用发射光谱技术判定中高焓电弧加热器漏水故障的成功经验[16]，将氧原子谱线强度定义为不受氧原子及其他组分干扰的背景光谱强度A1与其中心波长为777.19 nm的宽带光谱强度A2的比值IO777.19=A1/A2(积分带宽均为6 nm)。如图 3所示，A1为764~770 nm的光谱强度积分值，该光谱区域与氧原子777.19 nm相近且不受到原子线干扰；A2为774.19~780.19 nm的光谱强度积分值(中心波长为777.19 nm)。
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图 3 氧原子777.19 nm特征光谱原始数据及相对强度Fig. 3 Raw emission spectrum and data processing for O777.19 emission intensity determination at 11.6 MJ/kg3 试验结果及分析
图 4和5分别给出总焓为11.6和9.8 MJ/kg试验条件下获得的氧原子777.19 nm宽带光谱强度A2及其相对强度IO777.19随时间的变化图。由图 4可知，在20~30 s这个时间段内，A1、A2及IO777.19均基本保持恒定(IO777.19≈0.306)，此外，弧室压力及电压电流监测也非常稳定，说明该时间段内电弧加热器工作正常。从30 s时刻开始，A1和A2明显增大，A1增大幅度高于A2，且A1变化起始时刻略微早于A2，因此其比值IO777.19急剧增大，考虑到此时电弧加热器输入的工作参数没有变化(电流、进气量等)，初步判断加热器在30 s时已经发生漏水(试验系统关停电极烧损照片印证漏水发生，见图 6)。此外，IO777.19变化幅度明显强于A2，说明在该试验状态下，IO777.19对漏水故障有着更高的灵敏度。在30~32.6 s这个时间段内，冷却水的泄漏大大影响了电弧加热器内部高温流场状态，从而导致IO777.19与A2的显著变化，且IO777.19变化幅度依然强于A2。33 s之后，A2减小至0，说明泄漏冷却水已导致电弧熄灭。此外，33 s后IO777.19相比于稳定阶段强度变化明显，这是由于电弧熄灭后压缩片内壁温度迅速降低，其表面固体辐射强度已弱于光谱仪的电子噪声造成的。
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图 4 总焓11.6 MJ/kg下氧原子谱线相对强度随时间的变化Fig. 4 Evolutions of O777.19 emission intensities at 11.6 MJ/kg![]()
图 5 总焓9.8 MJ/kg下氧原子谱线相对强度随时间的变化Fig. 5 Evolutions of O777.19 emission intensities at 9.8 MJ/kg图 5为总焓9.8 MJ/kg试验条件下氧原子777.19 nm宽带光谱强度A2及其相对强度IO777.19随时间的变化。在电弧加热器稳定运行阶段，如图 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，在此期间A1、A2有小幅度的起伏，而IO777.19则相对平稳，说明采用比值的处理方法能有效消除状态波动等带来的光强干扰。在57.6~58.4 s时间内，IO777.19迅速增加而A2迅速减小，分析认为，产生这种现象最可能的原因是，此次漏水故障的漏水量较大导致电弧加热器内温度迅速下降所致。与总焓11.6 MJ/kg状态类似，IO777.19变化幅度也是明显强于A2，说明在9.8 MJ/kg试验条件下，IO777.19对漏水故障也是有着更高的灵敏度。58.8 s之后，A2减小至0，说明电弧已经熄灭，与总焓11.6 MJ/kg的试验现象一致；在该时刻后，压缩片固体辐射极弱，已湮没在光谱仪的电子噪声中，从而导致IO777.19强度出现大幅跳跃。
图 6给出总焓分别为11.6和9.8 MJ/kg试验后电弧加热器电极烧损照片。电极烧蚀壁面严重，漏水孔明显，此外，电极内壁表面烧蚀痕迹明显，这是典型由于漏水造成的加热器内部短路而形成的。
对比图 4和5可知，即使采用了比值的处理方法，在电弧加热器稳定运行阶段，IO777.19在不同的总焓条件下依然差别明显。为保证该方法在单轨道-多总焓状态气动热试验中均具有足够的灵敏度，试验前可根据试验条件对报警阈值进行设定，图 7为FD-04电弧风洞开展的某轨道气动热试验的氧原子光谱相对强度曲线及不同总焓所对应的氧原子谱线相对强度，总焓状态分别为6.6、9.8、7.5及11.6 MJ/kg，IO777.19分别为0.205、0.271、0.222及0.306。由图 7(a)可知，在光学测量系统稳定及光谱仪采集参数不变的情况下，获得的IO777.19数值稳定，其值仅取决于电弧加热器试验状态，因此可直接根据上述测定值设定诊断系统的漏水报警阈值。观察图 7(b)，根据上述试验状态获得的氧原子谱线相对强度拟合曲线具有非常高的拟合精度(确定系数R-Square=0.999)，因此，该拟合曲线可为总焓在6.6~11.6 MJ/kg范围内漏水阈值的选取提供较为可靠的参考(报警阈值测定时也可能出现漏水故障，因此测定时也需设定漏水阈值以保护电弧加热器)；此外，虽然氧原子相对辐射强度随总焓降低而降低，但该拟合函数在更低的焓值状态下能否适用还需进一步的试验验证。
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图 7 单轨道-多总焓状态下氧原子相对辐射强度测量Fig. 7 Relative intensity measurement of the O777.19 emission intensities under multiple total enthalpy conditions上述试验方案及结果验证了该方法对中低焓电弧加热器漏水故障快速、准确判定的应用潜力。为进一步提高可靠性和灵敏度，在下一步工作中可从以下方面进行优化: (1)数据积累。对气动热防护试验而言，漏水故障停车不及时会造成严重损失，误报警造成的试验中途误停车同样也会导致试验数据失真、试验失败。因此在目前试验方案的基础上，需继续进行数据积累，完善漏水判据。(2) 采用高分辨率光谱仪。当前试验所使用的光栅光谱仪分辨率较低，从而导致试验光谱的测量精度不足，增加了原子光谱相对强度的计算误差，在本文数据分析方法的条件下，这会造成整个测量系统的测量灵敏度降低。下一步工作中，若能使用高分辨率光谱仪，一定会有效提高探测灵敏度。
4 结论
针对总焓范围2~12 MJ/kg的中低焓电弧加热器漏水故障诊断技术匮乏的现状，提出一种基于原子发射光谱的漏水故障诊断技术。通过分析中低焓电弧加热器漏水故障条件和正常运行下高温流场的发射光谱特性，选择氧原子777.19 nm发射谱线为目标谱线，并提出利用邻近背景光谱强度与其宽带光谱强度(积分带宽均为6 nm)的比值进行判定的相对强度处理方法。在总焓H0分别为11.6和9.8 MJ/kg的2组发生漏水故障的工况下，获得氧原子相对辐射强度的变化规律，结合试验后电极烧蚀图像分析，证明该技术应用于中低焓电弧加热器漏水故障诊断具有较强的发展潜力。此外，为保证该方法在中低焓电弧加热器的单轨道-多总焓状态气动热试验中均有合适的灵敏度，提出采用试验前对单状态先期试验验证、并设定阈值的解决方案。最后，基于现有试验方案及结果，对该系统测量可靠性和测量能力提出改进建议。
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图 1 FD-04电弧风洞及发射光谱测量系统布置示意图
Fig. 1 Schematic of the experimental set-up of the FD-04 facility and the emission spectroscopy measurement system
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图 3 氧原子777.19 nm特征光谱原始数据及相对强度
Fig. 3 Raw emission spectrum and data processing for O777.19 emission intensity determination at 11.6 MJ/kg
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图 4 总焓11.6 MJ/kg下氧原子谱线相对强度随时间的变化
Fig. 4 Evolutions of O777.19 emission intensities at 11.6 MJ/kg
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图 5 总焓9.8 MJ/kg下氧原子谱线相对强度随时间的变化
Fig. 5 Evolutions of O777.19 emission intensities at 9.8 MJ/kg
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