高超声速无烧蚀钢球模型的可见光辐射强度测量

高超声速无烧蚀钢球模型的可见光辐射强度测量

0气体辐射特性的研究由于激发波的压缩或连续性阻塞，高超声速气流产生的高温。高温下气体粒子的能级跃迁产生光子辐射。高空由于密度较低,非平衡效应占据主要地位。非平衡热化学与辐射现象导致飞行器及其尾流流场光电特性发生变化,对目标的识别、跟踪产生影响,是突防和反突防技术中重要的研究内容。严重的辐射现象甚至可以改变飞行器的热环境。新一代空天飞行器的发展进一步促进了对飞行器绕流的热化学非平衡流及其辐射现象的研究。在目标与环境光谱特征研究方面,地面实验主要采用CVF(圆形可变滤光片)光谱辐射计(Radiometer)、各波段光谱仪(Spectrograph)、单色仪(Monochro-mator)和红外探测器(InfraredDetector)等对各波段光谱信号进行测量,积累光谱数据并进行分析。近年来OMA(OpticalMulti-channelAnalyzer)系统在高超声速流场瞬时光谱分析中得到了广泛的应用。由于辐射问题的复杂性,大量机理研究主要在激波管中进行,弹道靶中主要针对辐射能量进行测量。弹道靶作为高温气体非平衡流研究中常用的实验设备,其优点是能模拟真实的环境空气密度和再入速度,而且与固定模型的实验相比,弹道靶实验不受支架的气动干扰,模型主动飞行的绕流流场更接近于真实飞行器流场。国内外都已经在弹道靶中进行了大量针对气体辐射特性的研究工作。早期R.I.Primich和M.Steinberg在GM研究实验室用光谱辐射计对球和小钝锥模型的头部及尾迹流场辐射进行了测量和分析。Dietz设计了一个独特的方法,能够将测量区域限制在铝制模型(5.5km/s)头部以获得无干扰辐射数据。张新宇在日本利用弹道靶设备对塑料圆球模型(5.1km/s)进行了高速分幅摄影、辐射光谱等的测量。但由于塑料弹托和模型在发射管中加速时产生了许多碎片,对实验结果产生了干扰。中科院力学所的葛学真等人用弹道靶进行了非烧蚀和烧蚀球模型的头部和近尾流红外辐射测量,得到了较宽速度范围内的辐射强度数据,并且讨论了模型速度和烧蚀对辐射强度的影响。笔者采用双狭缝式光谱辐射计测量了弹道靶中无烧蚀钢球模型非平衡绕流场的可见光辐射强度,讨论了实验测量的理论和方法,为飞行器绕流非平衡辐射的理论和数值计算研究提供了实验验证数据,对超高速飞行器的识别、反识别、突防、反突防和光学跟踪、热防护等研究提供技术基础。1实验模型和实验方法弹道靶由二级轻气炮和靶室构成。火药点火推动活塞压缩管内的轻气体(氦气或氢气),使其达到极高的温度和压力,在高压段破膜膨胀,推动发射管内的弹丸加速达到实验所要求的模型发射速度。该实验使用了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)超高速所气动物理弹道靶。发射管口径25mm,模型炮口速度≤6.5km/s,靶室直径600mm,靶室压力133Pa～0.1MPa,测试段总长为9m,测试窗口离炮口约16m。实验模型为磨光均质钢球,其直径为12mm,质量为7.01g。由于实验模型飞行速度高(约5.5km/s),在靶室中飞行时间相对较短(约3ms),经工程估算和数值模拟结果分析,气动加热尚未造成模型烧蚀现象的发生,也未对该测量波段范围内的光辐射强度造成影响。基本测量系统主要包括模型速度测量系统,飞行姿态、弹道偏航显示监测系统等。该气动物理靶配备有4站激光测速仪。激光测速仪对速度测量的误差大致可以认为与球模型直径DM相关。而实验中可见光辐射计的信号输出上升沿与模型激波层厚度Δ有关,即Δ≈0.1DM。因此可以采用辐射计上升沿信号参与模型飞行速度测量,以修正激光测速仪结果。2实验用光电增益管测量实验和测量数据的正当性来提高光谱图像的特性,和复杂双狭缝可见光辐射计结构简单、数据处理方便,其结构见图2。外框架为铁制圆筒,两端密封,中央开缝,尾部留有安装探测器的空间。第一狭缝高80mm,狭缝宽度可调。探测器紧靠第二狭缝安装,由狭缝决定的受光面积为5mm×5mm。狭缝间距为340mm。实验中第一狭缝与目标距离约为110mm。辐射计不含光学元件,在只考虑几何光学的情况下视场确定,且对所有波长成立。辐射计光谱测量波段由安装在第一狭缝后的窄带通滤光片决定。实验中使用的干涉滤光片性能参数见表1。光电倍增管是目前最灵敏的光电探测器,实验使用型号为GDB-404的直径30mm的端窗式9级光电倍增管,具有半透明锑钠钾铯光电阴极和盒子式倍增系统,端窗材料为平面硼硅玻璃,其光谱透过率在测量波段达到90%以上。GDB-404在310～850nm的范围内具有宽广的光谱响应特性,光谱响应峰值波长为450nm。其脉冲上升时间为15ns,相当于飞行速度为5.5km/s的模型可移动0.0825mm。该距离与辐射计视场宽度(约4mm)相比有数个量级的差距,脉冲灵敏度可以满足实验要求。光电倍增管的输出信号接入电流放大器中,其工作频率范围是40Hz～10MHz,最大不失真信号小于5V(峰-峰值)。数据采集系统最大工作频率为20MHz,采样点时间间隔为0.05μs。实验中模型飞行经过辐射计视场范围的时间约为1～2μs,采样频率可以满足测量要求。3未通过测量电压来测辐射通量可见光辐射计的标定装置由导轨、标准温度灯(钨带灯)、光栏和调制盘组成,其光路如图3所示。文中所用二级钨带灯是BW2000型,波段范围为400～2500nm。钨带长约32mm,宽1.66mm。该钨带灯的温度工作范围为800～2000℃,检定波长为659.47nm。在标准钨带灯前用带有小孔(10mm×5mm)的光栏遮蔽,小孔中心对准钨带指针,构成发光面积已知的标准辐射源。标定时各设备处于同一光轴上。考虑光电倍增管的相对光谱响应率Rλ,滤光片透过率Tλ,探测器仪器系数K等,并在测量波段内近似取光谱量的平均值,可得辐射计对标准源的电压响应(V)为:VC=KACΩCR¯¯¯λTλmaxL¯¯¯λC⋅Δλ=KR¯¯¯λTλmaxΦλC⋅Δλ=KR¯¯¯λTλmaxΦC(1)VC=ΚACΩCR¯λΤλmaxL¯λC⋅Δλ=ΚR¯λΤλmaxΦλC⋅Δλ=ΚR¯λΤλmaxΦC(1)其中LλC、AC分别是标准源的光谱辐射亮度和面积,ΩC为探测面元对标准源所成的立体角,ΦλC、ΦC为标准源的光谱辐射通量和总辐射通量,Δλ是窄带通滤光片的半宽度,Tλmax是滤光片最大透过率。通过标定曲线(VC～ΦλC)即可由实验测量电压计算出未知辐射源光谱辐射通量。图4给出了滤光片的辐射通量标定曲线,可见信号响应基本呈线性变化,符合测量要求。4光谱辐射强度结果的测量结果由图5所给出的流场阴影照片来看,球模型前后均无飞行碎片,激波流场完整、清晰。说明模型发射正常,飞行稳定,没有影响辐射测量的碎片和其他弹道因素存在。两轮实验的状态参数和辐射测量峰值结果分别在表2、3中给出,其中T∞、H、p0分别为室温、相对湿度和靶压,VP为模型飞行速度,Imax和Iλmax是模型总辐射强度和光谱辐射强度峰值。根据数值模拟分析,低靶压状态时模型头部流场处于热化学非平衡状态,产生非平衡辐射。由实验数据可知,按靶压划分的各实验状态非平衡辐射测量结果重复性很好。图6给出第一轮实验辐射强度的典型测量曲线,反映了球模型进入和离开辐射计视场的飞行过程。从波形的时间宽度(换算为距离,分别与两轮实验的辐射计视场宽度相同)可以估计出主辐射体主要位于模型头部激波层附近。当主辐射体离开视场范围后,记录信号反映的是模型尾迹流场的辐射水平。模型尾迹流场温度较低,其辐射主要体现在红外波段,可见光波段的辐射信号很弱。同时可以看到,两种靶压信号曲线在从峰值下降时的表现不同:低靶压曲线下降迅速,而高靶压情况则存在下降较缓的拖尾现象。第二轮实验也出现了同样的现象。其原因不明,推测可能与高雷诺数时的转捩有关。图7给出了实验光谱辐射强度峰值与模型飞行速度的关系,图中虚线为数值模拟结果的拟合曲线,数值计算部分可参见文献。在相同靶压情况下,光谱辐射强度峰值对模型飞行速度非常敏感,随速度而增加。其原因主要是模型飞行速度增大导致空气组元参与热化学反应的能量增高,处于高能级激发态的气体粒子比率由此增加而导致高温气体的辐射强度上升。从有限的测量数据比较来看,高靶压时光谱辐射强度峰值随速度增加得更快一些。图8给出了光谱辐射强度峰值与靶压的关系,图中虚线为实验结果的拟合曲线。当速度接近时光谱辐射强度峰值与靶压也成比例增加,且压力增加一个量级,光谱辐射强度峰值则大约增加两个量级。由于靶压增加时空气密度变大,气体组元的粒子数密度上升,虽然处于高能级粒子的比率不变,但其绝对数目增加,从而造成了高温气体的辐射能量上升。尽管该文实验测量波段较窄,但结果反映的基本趋势与R.I.Primich和M.Steinberg在GM研究实验室获得的结果相同。5灯标结果分析文中详细讨论了采用双狭缝式辐射计在可见光波段测量无烧蚀球模型非平衡辐射强度的原理与方法,辐射计的标