0   引　言

飞行器进入火星大气是决定火星探测任务成败的关键过程。在该过程中，飞行器面临特殊而严重的气动和防热问题^[1-2]。在强激波和黏性滞止作用下，激波波后温度高达数千K，飞行器周围气体受到剧烈的气动加热，激发离解、电离为等离子体，再入流场经历热力学平动、振动、转动、电子温度的变化及气体组分的激发、离解、复合、电离等化学反应过程。与地球大气相比，火星大气稀薄更为稀薄，且主要成分为二氧化碳（CO₂），其化学反应和光谱振转特性与地球大气环境存在很大差异，进而影响火星进入的气动热环境^[3]。同时，相较于飞行器再入地球大气，飞行器进入火星大气时的气动热环境受防热材料表面催化特性的影响要更加显著^[4]，在不同防热材料催化特性条件下，飞行器进入火星大气时的驻点区域热流相差2～3倍^[5]。材料表面催化特性的研究对于火星进入防热设计非常重要，而材料表面催化效应从微观上是气体组分的离解和复合反应，体现在材料近壁面组分浓度和温度的变化。对于火星进入而言，化学反应主要以CO₂与一氧化碳（CO）、氧原子（O）之间的离解、复合为主， CO是表征离解和复合反应的关键组分。因此，在电弧风洞中进行火星进入地面模拟试验时，对关键组分CO进行实时在线测量，有助于加深理解火星进入过程中高焓流场特性和防热材料表面催化特性^[6]。

目前，国内外与电弧风洞高温流场特性相关的定量测量手段有限，以发射光谱和激光吸收光谱为代表的光谱诊断技术因其非接触式测量和多参数测量的优势，是飞行器风洞地面试验流场特性研究的主要手段^[7]。发射光谱很早就应用于高焓气流诊断研究，最初主要是作为飞行器再入气体辐射特性地面试验研究的测试手段，用于谱带光谱、辐射量测量及谱带精细结构测量^[8]。Winter等^[9]利用发射光谱诊断技术，结合在线原位定标技术，在电弧风洞中实现了不同再入条件下模型驻点气体绝对辐射强度的在线定量测量，为研究高焓再入条件下气体辐射热流提供了重要测量结果。Chen等^[10]利用高频感应等离子体风洞模拟火星进入的纯净流场，采用发射光谱诊断技术开展防热材料烧蚀过程中边界层内高焓辐射特性的研究，获得了模型烧蚀产物CN和OH的谱带精细结构和绝对辐射强度信息，为研究高温下防热材料表面特性变化提供了重要依据。在吸收光谱方面，斯坦福大学Hanson研究团队在激波管上开展了O I（777 nm）和O II（844 nm）腔增强吸收光谱技术（Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy, CEAS）研究，采用光路多次反射增大吸收光程的方法，开展了激波波后气体O原子激光吸收光谱诊断，获得了波后气流温度，提升了原子吸收光谱对激波管高焓气流的探测能力^[11]。中国科学院力学研究所基于激波管开展了火星大气模拟环境的激光吸收光谱测量研究，获得了波后CO浓度和振–转温度随时间的变化^[12-13]。Jelloian等^[14]利用激波管开展火星进入地面模拟高焓气流中红外吸收光谱诊断研究，基于CO转动支和振动支多条谱线，实现了对激波波后气流1 MHz高频响应测量，测量了热非平衡流动平动、转动、振动温度。Weisberger等利用2.7 μm附近的CO₂谱线，在CUBRC研究中心LENS–X膨胀管上开展模拟火星再入条件的防热材料表面催化效应研究，基于激光吸收光谱技术测量了驻点激波层内流场CO₂浓度，获得了量化评估近壁面催化效应的依据。新型半导体量子级联激光吸收光谱诊断技术主要采用中红外波段的吸收谱线，其光谱的线强度远高于近红外波段谱线的光谱的线强度，可以极大提升光谱探测能力，在高焓风洞气动热试验流场诊断研究方面应用潜力巨大^[15]。

本文利用发射光谱和激光吸收光谱技术发展了一套高温气流参数测量系统，应用于300 kW管式电弧加热风洞研究试验平台的气流在线诊断。基于发射光谱诊断开展了电弧加热器电极区和弧室辐射光谱特性研究及模拟火星大气电弧加热地面试验研究，实现了喷管出口自由流CO组分在线定量测量。基于发展的中红外激光吸收光谱诊断系统获得了CO组分浓度的实时变化，研究了不同来流条件下CO浓度变化规律，提升了电弧加热设备对火星进入热环境的模拟和测量能力。

1   测量原理

1.1   吸收光谱

激光吸收光谱的入射光强I₀和出射光强I满足Beer–Lambert定律。基于I和I₀之比，可以获得气流温度和组分粒子密度信息。I和I₀满足以下关系：

式中，α_ν为吸收系数（单位：cm⁻¹），满足：

式中：X为待测组分浓度；p为待测流场压力（单位：atm，1 atm = 101325 Pa）；L为吸收光程（单位：cm）；ϕ(ν − ν₀)为谱线的线型函数，满足∫ϕ(ν − ν₀)dν = 1。S(T)为谱线的线强度（单位：cm⁻²·atm⁻¹），满足以下关系：

式中：Q（T）为待测组分的配分函数；E''为谱线的低能级能量（单位：cm⁻¹）；c为光速，h为普朗克常数（单位：J·s），k为玻尔兹曼常数（单位：J·K⁻¹）；T₀为参考温度，取296 K。对谱线吸收系数α_ν进行积分，得到积分吸收率A：

在理想状态下，不同能级之间的跃迁对应分子内部总能量变化，这一能量变化对应一个确定的中心频率。在实际吸收或发射光谱中，谱线都具有一定展宽，谱线确定中心频率附近一小段频率范围内的强度分布称为“线型函数分布”。导致谱线展宽的机制包括均匀展宽（Lorentz加宽）和非均匀展宽（Gauss加宽）等，一个特定的吸收跃迁实际上是多种展宽机制的卷积。在本文研究中，风洞试验来流压力较低（0.5～3.0 kPa），Gauss加宽在1.2 × 10⁻²～1.5 × 10⁻² cm⁻¹范围内，Lorentz加宽在1.6 × 10⁻⁴～9.8 × 10⁻⁴ cm⁻¹范围内，Gauss加宽占据主导地位，其加宽函数可表示为：

式中，Doppler半高全宽（FWHM）Δν_D为：

式中：ν₀为待测组分谱线吸收跃迁的中心频率，m为分子质量，M为待测组分摩尔质量，T为气流温度。利用多普勒加宽即可实现气流温度测量，结合式（4）和（6），可进一步获得待测组分浓度。温度和浓度可分别表示为：

1.2   发射光谱

原子发射光谱的辐射强度可表示为：

式中：A_ul为谱线的爱因斯坦发射系数（单位：s⁻¹），h为普朗克常数（单位：J·s），v_ul为谱线跃迁频率（单位：cm⁻¹），n_u为谱线高能级粒子数密度（单位：cm⁻³）；下标“u”表示高能级，“l”表示低能级。

电弧加热器弧室内的高温气流流速很低，满足局部热力学平衡态。在满足热平衡等离子体条件下，高能级粒子数密度与总粒子数密度之间满足Maxwell–Boltzmann分布：

式中：n₀为总粒子数密度（单位cm⁻³），g_u为高能级电子简并度，E_u为高能级能量（单位：cm⁻¹），p（单位：atm）和T（单位：K）分别为电弧加热器弧室内气流压力和气流温度。

2   试　验

在300 kW研究型电弧风洞试验平台上开展了模拟火星大气电弧加热地面试验流场诊断研究。如图1所示，电弧风洞主要由电弧加热器、喷管、试验舱及配套的冷却、真空、供气供水系统等组成。试验平台运行过程为：采用氩气起弧，阳极和阴极之间高压瞬间击穿，建立电弧通道，然后对冷态CO₂进行加热，产生高温CO₂等离子体气流；CO₂等离子体气流经喷管膨胀加速后，在试验舱喷管出口形成高温高速来流，进而实现对火星进入器气动加热环境的模拟。

图  1  电弧加热火星进入流场吸收/发射光谱诊断系统示意图

Fig.  1  Schematic of absorption/emission spectroscopy diagnostic system for arc-heated plasma flow of Mars entry

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图1中还示意了中红外激光吸收光谱测量系统。利用激光器产生一定频率的激光，经反射镜引入风洞试验舱内。激光频率通过激光控制器的温度调节和电流调节实现，将信号发生器的连续锯齿波信号加载于激光控制器外部调制，可在一定范围（一般 ＜ 3 cm⁻¹）内连续调谐激光频率，实现对激光吸收谱线轮廓的完整扫描。透射激光信号经过待测流场后，在风洞试验舱另一侧被InSb探测器接收，经热电转换后被示波器采集。

开展吸收光谱测量时应采用合适的谱线，避免其他组分谱线干扰测量，同时确保谱线测量的信噪比。电弧风洞地面试验气流的主要组分为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，在中红外测量中可以忽略不计。图2给出了火星进入流场典型工况（15% CO，80% CO₂；T = 2000 K，p = 0.05 atm，L = 5 cm）下CO和CO₂吸收光谱理论计算结果（激光器调谐范围内）。从图中可以看到：CO谱线吸收率很高，可以保证实测信号获得非常高的测量信噪比；CO₂谱线与CO谱线彼此孤立，可以避免CO₂吸收谱干扰CO谱线测量。CO吸收谱线的光谱参数见表1。

图  2  火星进入流场吸收光谱理论计算结果

Fig.  2  Calculated absorption spectra of 15 % CO and 80% CO₂ for experimental conditions of Mars entry

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表  1  CO吸收谱线光谱参数^[16]

Table  1  Fundamental spectroscopic data for Candidate CO line^[16]

中心频率 ν0/cm−1	跃迁 (νʹʹ, Jʹʹ)	线强度 S(296 K)/(cm−2atm−1)	低能级能量 Eʹʹ/cm−1
2212.625	0, R(19)	1.375	729.677
说明：表中vʹʹ、Jʹʹ分别表示低能级振动量子数和转动量子数。

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发射光谱诊断系统由光谱测量片、可变焦镜头、多模光纤和光谱仪等组成，用于收集电弧加热器阴极区电弧和电弧加热器弧室（阳极区下游）的气体辐射发光，获得热电弧等离子体辐射光谱特性，同时对电极烧蚀进行定量研究。

发射光谱诊断系统测量位置有2处：第一处为阴极区。可变焦距镜头收集阴极区固定位置的气体辐射，经多模光纤传至光谱仪，获得阴极区电弧的气体辐射光谱。第二处为阳极区下游电弧加热器弧室，弧室位置布置了一个光谱测量片（见图1绿圆内放大图），弧室内等离子体气体辐射光谱经石英窗口被透镜聚焦，继而被多模光纤收集并传至光谱仪，获得高温气流的辐射光谱。本文选用高波长分辨率的中阶梯光谱仪进行光谱数据采集，光谱响应范围为200～1000 nm，光谱仪展宽为0.02 nm。同时，利用一台200 W卤钨灯标准光源（Oriel 63355）标定发射光谱诊断系统的波长和强度响应系数。

3   试验结果与分析

3.1   发射光谱测量结果

图3为CO₂气氛下电弧加热器内等离子体辐射光谱的测量结果，图中还对比了阴极区和阳极下游区域CO₂等离子体的光谱特性。在阳极下游位置，CO₂等离子体辐射光谱由原子态O、Fe、Cu谱线组成，在紫外波段还存在非常强的C I谱线（247.8 nm），在400～600 nm波段存在连续的C₂ Swan自由基连续谱带，使得流场出现蓝绿色。CO₂辐射光谱中有很强的Cu I谱线（324.8、327.4、809.3 nm等），来源于电极侵蚀引入到等离子体气流中的污染组分，而Fe I谱线则来自电弧加热器管状通道内铁元素的激发。电弧加热器阴极区的CO₂等离子体辐射光谱与阳极下游区域辐射特性类似，与弧室等离子体的辐射光谱相比，阴极区等离子体有更多的Fe I谱线被激发。由于阴极区光学系统在紫外波段的响应较差，未能获得200～380 nm等离子体辐射光谱的测量结果。

图  3  CO₂等离子体辐射光谱

Fig.  3  Raw spectrum for CO₂ plasma

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图4（a）为典型工况下电弧加热器阳极下游区域CO₂等离子体中的氧原子谱线（777 nm）的光谱强度随时间变化的曲线。在750 s的长时间运行过程中，氧原子光谱强度基本保持稳定，相对波动小于10%，显示出电弧加热设备的稳定运行能力。图4（b）对比了不同运行电流下的氧原子谱线的光谱强度。从图中可以看到，随着运行电流升高，CO₂等离子体中的氧原子谱线的光谱强度逐渐增大，其原因在于：随着运行电流升高，电弧加热器内的气流焓值增大，等离子体气流温度升高，氧原子高能级粒子数密度增大，导致氧原子谱线的光谱强度呈指数增长。需要强调的是，在图4不同运行状态的试验中，电弧加热器光学系统的布置保持不变。

图  4  氧原子谱线的光谱强度

Fig.  4  Spectral intensity for atomic oxygen line

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基于多线玻尔兹曼测温法，本试验利用多条Cu I谱线实现了对电弧加热器阳极下游区域CO₂等离子体气流电子激发温度的测量（谱线选择策略和原则见文献[17]），如图5所示。

图  5  铜原子谱线玻尔兹曼画图

Fig.  5  Boltzmann plot for Cu I lines

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图6给出了CO₂等离子体气流温度的测量结果。其中，图6（a）为典型状态下气流温度随时间的变化：在750 s的长时间运行过程中，CO₂等离子体气流温度基本维持稳定，平均气流温度约为6700 K，温度在 ± 250 K范围内波动，说明电弧加热器长时间运行时的气流热参数非常稳定，可以满足长时间防热材料考核对气流稳定性的要求。图6（b）为长时间运行过程中CO₂等离子体气流温度的统计结果，此处给出了较高运行电流（500～900 A）下的气流温度统计结果。随着电弧加热器运行电流升高，CO₂等离子体气流温度升高，且升高速率随着运行电流升高而降低。由于气流焓值与气流温度正相关，因此升高运行电流能够提高等离子体气流焓值，但运行电流越高，焓值提升效果越有限。上述结论可用于指导电弧加热器热防护地面试验状态调试，评估不同类型加热器的气流焓值模拟范围。

图  6  CO₂等离子体温度测量结果

Fig.  6  Meaured temperature for CO₂ plasma

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由图6（b）可知：运行电流越低，CO₂等离子体气流温度波动越大，随着运行电流升高，气流温度波动范围缩小。其原因可能是：1）在低电流条件下，电弧加热器气流参数波动较大；2）在低电流条件下，电极烧蚀量较小，较低的Cu含量和较低的气流温度条件下，Cu I高能级谱线的光谱测量值信噪比较低，导致多线玻尔兹曼测温的误差增大。在本文的发射光谱实验中，为了满足多线玻尔兹曼测温对光谱信噪比的要求，电弧加热器运行电流的下限是500 A，在较低运行电流（≤ 400 A）下，铜原子谱线的光谱强度信噪比无法保证获得可靠的气流温度结果。

3.2   吸收光谱测量结果

图7给出了单周期原始吸收信号和数据处理得到的光谱吸收率。CO吸收信号的信噪比SNR > 100，可以保证实现有效测量。图8给出了电弧加热地面试验自由流静温和CO摩尔浓度测量结果。图8（a）为典型状态下喷管出口自由流静温和CO摩尔浓度随时间的变化。试验开始，电弧加热器利用氩气起弧，并通入少量CO₂介质，从图中可以看到：气流静温和CO摩尔浓度在短时间内（约1 s）迅速升高至峰值，之后开始降低；当t ≈ 1.7 s时，气流静温和CO摩尔浓度达到一个局部最小值。以上过程对应电弧加热器高频起弧阶段和过渡阶段：电弧加热器利用高频电源起弧，快速击穿CO₂介质并建立电弧通道，气流静温和CO摩尔浓度快速上升，表明电弧加热器内快速建立了电弧等离子体；之后，随着CO₂进入量增大，气流静温下降，CO₂离解度降低，CO摩尔浓度随之下降。

图  7  原始吸收信号及光谱吸收率

Fig.  7  Measured absorption signal and spetral absorbance

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图  8  自由流静温和CO摩尔浓度测量结果

Fig.  8  Measured statistic temperature and mole fraction of CO for freestream

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t = 1.7 s以后，电弧加热器电源模式由高频起弧模式切换至直流模式，氩气停止通入，CO₂介质完全通入，电弧加热器运行电流提升至设定值，气流静温和CO摩尔浓度逐渐升高后保持基本稳定，火星进入地面模拟试验流场建立。在电弧加热器正式运行时间范围（t = 1.7～29.0 s）内，气流静温平均值约为1720 K，CO摩尔浓度平均值约为0.161。图8（b）是图8（a）红色框内的局部放大图，从图中可以看到，气流静温和CO摩尔浓度的波动趋势基本一致，说明气流静温对CO摩尔浓度的影响非常显著。

t = 29 s以后，试验结束，自由流静温和CO摩尔浓度迅速下降，自由流静温迅速接近试验舱内真空静温，CO摩尔浓度下降但未接近于0，在较小值区间还重新出现增大趋势，说明试验舱内残留了部分CO。

图8（c）展示了6组重复试验下的自由流静温和CO摩尔浓度平均值统计结果：自由流静温平均值为1757，标准差为69 K，测量重复性误差为3.92%；CO摩尔浓度平均值为0.189，标准差为0.0272，测量重复性误差为14.32%。统计结果说明，电弧风洞能够满足火星进入热环境宏观参数（焓值、热流、压力）的模拟需求，且对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。在多次重复试验下，CO摩尔浓度平均值与自由流静温平均值的变化趋势非常一致，进一步说明气流静温对CO摩尔浓度具有显著影响。

图9给出了不同电弧加热器运行电流下自由流静温和CO摩尔浓度平均值的统计结果。从图中可以看到：随着运行电流升高，自由流静温和CO摩尔浓度平均值整体呈上升趋势。这是因为升高运行电流，会提高加热器弧室内CO₂等离子体的温度，经喷管加速后（喷管马赫数基本不变），流场自由流静温也获得提高，同时喷管入口更高的气流静温意味着更高的CO₂离解度，叠加喷管出口更高的自由流静温，使得流场CO摩尔浓度也变得更高。

图  9  不同运行电流下气流静温和CO摩尔浓度平均值

Fig.  9  Measured temperature and CO mole fraction under different operation currents

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需要指出的是，在运行电流500 A条件下，图9中的自由流静温和CO摩尔浓度出现了局部下降。其原因可能在于：直流电源与进气之间不匹配，设备运行状态不稳定，导致电弧加热器热效率降低。与图6（b）发射光谱测温结果类似，随着电弧加热器运行电流升高，自由流静温和CO摩尔浓度的提升效果越来越差，其原因也在于电流越高、气流焓值提升效果越有限。这是由管式电弧加热器的特性所决定的：电弧加热器的气流焓值模拟范围局限于中低焓（< 10 MJ/kg），在大电流运行条件下，其气流焓值模拟能力无法获得显著提升。

4   结　论

本文基于发射光谱和激光吸收光谱诊断技术，设计和建立了一套电弧加热风洞等离子体气流光谱特性测量系统，实现了对电弧加热器内等离子体气流辐射光谱特性和电弧加热器喷管出口自由流气流参数的在线实时测量，获得了电弧加热器CO₂等离子体辐射光谱和模拟火星大气条件下的自由流静温和关键组分CO摩尔浓度在线定量测量结果。

1）CO₂等离子体辐射光谱主要由原子态O谱线、紫外波段C I谱线（247.8 nm）和连续C2 Swan自由基连续谱带（400～600 nm）等组成。CO₂等离子体光谱强度均随着运行电流升高而逐渐增大。玻尔兹曼测温结果显示：随着运行电流增大，CO₂等离子体电子激发温度逐渐升高，但气流静温提升速率越来越慢，显示出管式电弧加热器模拟焓值能力的局限。

2）在电弧加热器运行时间内，火星进入典型状态下自由流静温和CO摩尔浓度基本保持稳定，证明电弧风洞模拟火星进入来流参数非常稳定。重复试验显示自由流静温和CO摩尔浓度测量结果具有非常好的重复性。发射光谱测温和吸收光谱测量结果显示，电子激发温度和自由流静温随电流升高而升高的变化趋势一致