电弧加热器铜污染组分效应发射光谱定量研究

曾徽，陈智铭，闫宪翔，欧东斌，董永晖

中国航天空气动力技术研究院 电弧等离子应用装备北京市重点实验室，北京 100074

随着飞行器飞行速度越来越快，从跨越超声速到高超声速，飞行器热防护问题成为高超声速飞行器设计的重中之重，而电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的主要地面试验平台[1-3]。电弧加热器通过前后电极击穿气体，产生高压热电弧，试验气体通过电弧加热和喷管膨胀加速，模拟飞行器再入热环境，从而进行防热材料地面考核试验。由于电弧加热器前后电极采用紫铜材料，击穿放电过程中铜电极发生烧蚀，电极长时间工作后铜电极烧蚀不利于电弧加热器的正常运行[4-6]，同时电极烧蚀产生的铜原子进入高温试验气流中，引入污染组分。研究表明，铜蒸汽引入等离子体气流，会显著改变等离子体的电导率、辐射发射系数等热物性参数，并降低等离子体气流温度[7]，阿诺德工程发展中心(Arnold Engineering Devolopment Center,AEDC)的研究结果显示，铜污染组分会改变等离子体气流特性，影响等离子体电磁特性，不利于开展微波传输地面模拟试验[4]，铜原子本身具有的强催化特性会对防热材料气动热地面试验考核产生影响[8]，这些都要求采用有效测量手段对铜电极烧蚀进行有效诊断。由于电弧加热器内的高温恶劣环境，传统测量手段采用接触式测量的方式，无法有效测量电弧加热器工作过程中铜电极烧蚀，长期以来一直缺乏电极烧蚀铜污染组分的定量研究。

近年来，非接触式光谱诊断技术的发展给高温流场测量提供了全新的思路，其具有对流场多参数实时诊断、非接触式测量、响应快等优点，以激光吸收光谱技术和发射光谱测量技术为代表的非接触式光谱测量技术是目前国内外高温、高速流场诊断的重要发展方向[9-10]。关于光谱诊断技术在电弧加热器的应用研究以斯坦福大学的Hanson课题组为代表： Kim[11]选用O、N、Ar、Cu等原子谱线，开展对NASA Ames IHF 60 MW电弧加热器弧室和自由流的在线诊断研究，采用获得了电弧加热器内气流温度的定量信息，并利用CuI在793.3 nm附近的吸收跃迁，首次获得了电弧加热器铜原子浓度的定量结果；Nations等[12-13]开展进一步的流场诊断研究，通过多线同时测量的方法获得了电弧加热器内空间分辨的测量结果。德国Stuttgart大学的Lohle等长期致力于高温光谱诊断技术的研究，利用发射光谱、激光吸收光谱开展等离子体高温流场和烧蚀组分流场的定性、定量研究[14-16]。在国内，中国航天空气动力技术研究院利用原子激光吸收光谱技术和发射光谱技术，开展了对电弧加热器内等离子体气流和驻点激波层流场的定量研究[17-19]。中国空气动力研究与发展中心应用可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)诊断技术,初步获得了电弧加热器铜电极烧蚀的结果[20]。

本文利用发射光谱技术发展了一套高温气流参数测量系统，应用于10 MW高焓叠片式电弧加热器弧室气流的在线诊断，获得了等离子体气流中铜原子浓度的实时测量结果，并研究了环形电极和管式电极2种电极形式下电极烧蚀情况。基于该测量系统，定量研究了不同电极形式、不同运行电流、新旧电极等因素对电极烧蚀的影响，并建立判定电极失效的判据，用于保障电弧加热器安全运行，同时本文成果也为研究地面试验污染组分效应提供了定量化测量手段。

1 发射光谱测量原理

原子发射光谱(OES)的辐射强度可表示为

(1)

式中：Aul为谱线的爱因斯坦发射系数，s-1；hul为普朗克常数，J·s；υul为谱线跃迁的频率，cm-1；nu为谱线高能级粒子数密度，cm-3；下标“u”表示高能级，下标“l”表示低能级。电弧加热器通过电极之间击穿放电，产生热电弧，将进入加热器弧室内的冷态试验介质加热至高温状态。加热器弧室内的高温气流，其流速很低，可假定为局部热力学平衡态，相关研究结果验证了这一假设[21-23]。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：

(2)

式中：n0为总粒子数密度，cm-3；gu为高能级电子简并度；Q(T)为配分函数；k为玻尔兹曼常数，J·K-1；Eu为高能级能量，cm-1；P和T分别为电弧加热器弧室内气流压力和气流温度；X为摩尔组分浓度。本实验中选取CuI的谱线和OI的谱线，对两条谱线的强度ICu和IO进行相比,结合式(1) 和式(2)可得

(3)

则铜原子浓度可以表示为

(4)

式中：A为爱因斯坦发射系数；λ0为谱线中心波长。Colonna和Gapitelli给出了OI的配分函数[24]，即

(5)

CuI的配分函数可通过NIST(National Institute of Standards and Technology)原子光谱数据库获得[25]，OI和CuI配分函数均可表示为温度的函数QO(T)和QCu(T)，具体定量关系如图1 所示。

图1 OI和CuI配分函数随温度变化趋势

图2 空气等离子体参数热平衡计算[26]

同时，基于NASA热化学平衡计算程序CEA[26],图2(a)获得了空气热平衡等离子体中氧原子浓度随温度(4 000～10 000 K)和压力(0.1～1 MPa) 的变化趋势，氧原子浓度可以表示为温度和压力的函数XO(T,P)。电弧加热器弧室内气流压力可以通过压力传感器直接测量获得，则氧原子浓度可以表示为仅与温度相关的函数XO(T)。因此，式(4)可进一步简化为

(6)

电弧加热器弧室内的高温气流可以被认定处于热平衡、一元均质流、定常状态，依据Winovich给出的经验公式[27]，电弧加热器弧室内的气流总焓H0可以表示为

(7)

式中：P0为电弧加热器弧室内气流总压，弧室内流速很低，采用弧室内壁开测压孔的方式可直接测量电弧加热器弧室总压，MPa[27]；A*为喷管喉道面积,mm2；G为试验介质的质量流量，kg/s；试验过程中通过测量压力P0和质量流量G获得电弧加热器弧室内的气流总焓H0。

平衡声速法适用于2.3～23 MJ/kg范围内气流焓值测量，NASA Ames进一步研究表明，在上述焓值范围内，平衡声速法和ASTM标准测焓方法(能量平衡法)结果吻合一致，平衡声速法仍然是电弧风洞气流焓值的首选方法之一[28]。

依据NASA CEA热化学平衡计算，图2(b)给出了气流焓值与温度、压力的定量关系H(T,P)，电弧加热器弧室内气流压力直接测量获得后，可以建立气流焓值与气流温度之间的关系H(T)，结合式(7)获得电弧加热器弧室内气流焓值，即可反推获得电弧加热器弧室内气流温度T。同时，采用光谱仪在线测量电弧加热器弧室内的辐射发光，各自获得OI和CuI所选择谱线的光谱强度，即可实现对电弧加热器内等离子体气流中铜原子含量的定量测量。

表1 原子谱线基本光谱参数[25]

2 风洞试验

本试验在中国航天空气动力技术研究院FD-04b高焓叠片式电弧风洞上进行。图3给出了叠片式电弧风洞运行的示意图，电弧加热器首先通过进入阳极和阴极的氩气介质进行起弧，并建立电弧通道，随后进入的冷态空气试验介质被热电弧加热，从而获得高焓等离子体气流，等离子体气流经收缩-扩张锥形喷管加速后在喷管出口形成超声速气流，对喷管出口下游处的试验模型进行飞行器再入热环境的地面模拟试验，开展防热材料的筛选考核。电弧加热器的电极和组成电弧通道的叠片通过高压水循环冷却，保证电弧加热器在高温、高热流条件下长时间稳定正常运行。如图3所示，电弧加热器采用了2种电极形式：

1) 环形电极。环形电极是把短管式电极分成若干个环形电极组合在一起的电极形式，利用分弧电阻将大电流分配到多个电极，减少电极的最大通过电流，同时电极内部冷却水通道内安装多匝线圈，驱动弧根快速旋转，环形电极片之间安装进气环并通入氩气保护电极，这种电极形式可以大大降低电极烧损率，从而提高电极寿命，常用于大功率高焓、低压、长时间(千秒量级)电弧加热地面试验。

2) 管式电极。管式电极是借鉴管式电弧加热器的电极形式，电极阳极和阴极为一整体管状结构，并内置线圈，驱动弧根快速旋转。大电流直接加载在管式电极之间，氩气起弧后，通入试验介质(空气)，同时起弧氩气停止通入，整个试验过程中电弧等离子体热气流为纯空气介质，可以更加真实地模拟飞行器再入环境。相比于环形电极，管式电极形式适用于开展高焓、高压气动热地面试验。

电弧加热器阴极和喷管收缩段之间的位置安装有一套光学测量片，用于收集电弧加热器内辐射发光，并测量电极下游等离子体气流的光谱特性。图3左下角是光学测量片的简要示意图，在光学测量片一侧开通孔(长径比L/D≥10)，并设计一体安装的石英玻璃窗口和聚焦透镜，采用该设计方式有利于采集气流辐射光谱，并减少固体辐射的干扰。电弧加热器内高温气流的辐射发光穿过石英玻璃后被透镜聚焦后，经一根10 m长、芯径1 mm的多模光纤传递给光纤光谱仪并进行分光处理，从而实现对等离子体辐射光谱的实时、在线测量。光谱数据采集选用Ocean optics公司的QE65PRO型高灵敏度光谱仪，配备Toshiba1024像素×58像素的面阵CCD，光谱测量范围为198～986 nm，光谱仪的仪器展宽为1.7 nm。本实验中光谱仪的测量频率为50 Hz，发射光谱测试系统的波长及强度响应系数利用一台200 W卤钨灯标准光源(Oriel 63355)进行标定。

图3 叠片电弧风洞及OES诊断系统示意图

本试验开展了不同电极形式、不同运行电流下电极铜原子烧蚀量的在线测量，对叠片电弧加热器状态重复性进行了评估。基于铜原子测量结果，可以评估电极寿命，用于加热器运行安全诊断。

3 试验结果与分析

图4 原子发射光谱数据处理

图5 基于3条CuI谱线的浓度测量结果

图5给出了一组典型工况下，3条CuI谱线测量获得的铜原子浓度结果。从图5(a) 中浓度随时间变化测量结果可以看出，谱线2和谱线3获得的铜原子浓度下降趋势非常一致，谱线1获得铜原子谱线强度下降速率要快于谱线2和谱线3，其原因在于：由式(4)可知，铜原子浓度值与温度呈指数相关关系，相比于谱线2和谱线3，谱线1具有更低的高能级能量，基于谱线1进行铜原子浓度测量，其对温度的灵敏度更高，图5中起弧阶段，电弧等离子体从被击穿，到建立稳定状态，气流温度是一个逐渐上升直至稳定的过程，起弧阶段气流温度的变化，引起谱线1获得铜原子浓度的下降趋势更迅速。同时，3条谱线获得的铜原子绝对浓度存在一定的差异，峰值浓度在(14～20)×10-6之间波动，图5(b)统计了2次试验下3条谱线所测量铜原子峰值浓度的结果，从多次试验的结果可以看出，谱线3(521.8+522 nm) 的铜原子的峰值浓度与3条谱线浓度测量平均值基本一致。同时，由表1中谱线光谱参数和图4原始光谱数据可知，谱线3具有最强的爱因斯坦发射系数和光谱强度，光谱信号具有最高的信噪比，光谱拟合残差最小，其测量结果具有最高的置信度。因此，后续研究选用谱线3测量结果用于表征电弧加热器不同电极形式和运行参数下铜原子浓度变化，并采用谱线3测量结果进行统计分析。

3.1 环形电极测量结果

图6给出了环形电极叠片式电弧加热器铜原子浓度变化结果。由图6(a)可知，电弧加热器开始起弧，铜原子浓度迅速上升，起弧完成后，铜原子浓度开始下降，并逐渐平衡，3次试验铜原子浓度保持一致的趋势。电弧启动点弧时电极烧蚀较为严重的原因在于，电弧建立过程中弧根不稳定，电弧通道未完全建立，电极烧蚀量较显著。Kim[11]利用激光吸收光谱测量技术，实现了对NASA Ames 60 MW IHF叠片式电弧加热器铜电极烧蚀的在线测量，其在195 kPa运行压力下、单对电极分弧电流342 A时铜原子的峰值浓度为13×10-6，图6中3次试验的弧室压力在210 kPa左右，单对电极分弧电流为380 A，铜原子峰值浓度在13～18×10-6之间变化，在相同类型电极形式、类似运行试验条件下，本研究的测量结果与NASA Ames 60 MW IHF叠片式电弧加热器铜原子测量结果吻合一致。如图6(b)所示，电弧加热器稳定工作后，铜原子浓度回落，不同试验工况下铜原子浓度维持在一个较低的值(<1×10-6)，显示电弧加热器稳定工作后电极铜原子的烧蚀量较小。同时，不同试验台阶变换时，铜原子浓度没有发生明显的跳跃增加，表明电弧加热器不同试验状态之间的过渡切换非常平稳。Park[23]的研究表明，电极烧蚀在电弧放电建立、震荡过程中比较显著，当电弧加热器压缩通道内电弧稳定后，并且压缩片壁面热流小于50 MW/m2时，电极和压缩通道基本不发生烧蚀，本试验的测量结果与其吻合一致。

图6 环形电极铜原子浓度

需要强调的是，图6中第1次试验为更换新电极后的首次试验，其铜原子浓度略低于后2次试验测量结果，其原因在于，新电极内壁面光滑，电极长时间试验后电极内壁面发生轻微烧损，无法保持完整光滑，随着电极使用次数增加，电极烧蚀增加。同时，分析后2次试验的测量结果显示，铜原子浓度在起弧过程和稳定工作过程均具有非常好的重复性，显示出叠片式电弧加热器运行状态的一致性，这与叠片电弧加热器压缩电弧的特性有关，阴极和阳极弧根固定于加热器电极，弧根轴向位置几乎不发生横移，并在切向旋气和磁场的作用下高速旋转，从而保证电极具有低烧蚀率[29]。整个试验过程中气体用气量为79.585 kg，结合实际测量的铜原子摩尔组分浓度结果，整个试验过程中铜原子烧蚀量为0.274 g。

3.2 管式电极测量结果

图7给出了管式电极叠片式电弧加热器运行过程中电极铜原子浓度测量结果。2次重复试验测量结果显示：起弧阶段铜组分浓度呈现一致的趋势，起弧过程中铜原子浓度增加后迅速下降至平衡，但铜原子峰值浓度存在明显差异，2次 试验的铜原子峰值浓度分别为177×10-6和337×10-6。电弧加热器稳定工作后铜电极烧蚀仍然明显，铜原子摩尔组分浓度在(1～30)×10-6范围内剧烈波动，并且2次试验铜原子变化趋势不具有一致性。AEDC 研究中心H1高压叠片电弧加热器采用短管式电极类似结构，其在在50～100 Pa运行压力范围内电极烧蚀产生的铜原子质量分数为200×10-6，摩尔分数为90×10-6[4]。

图7 管式电极铜原子浓度

图8(a)给出了新电极在不同电流下铜原子峰值浓度的变化。由图8 (a)可知，管式电极形式叠片电弧加热器在较低运行电流范围(<1 000 A),铜原子峰值浓度基本小于10×10-6，新电极烧蚀较小；多次重复试验显示，运行电流在1000 A时铜原子峰值浓度在(20～45)×10-6之间波动；当电弧加热器运行电流高于1 200 A时，铜原子峰值浓度基本维持在(180～200)×10-6,新电极烧蚀量出现一个量级的增加，新电极烧蚀明显增加，说明在该电流运行范围内电弧加热器具有较高的风险，具体数据可用于评估电弧加热器安全运行。图8(b) 给出了运行电流1 000 A下新、旧电极的铜原子测量结果，多次试验显示，旧电极铜原子峰值浓度在(100～300)×10-6范围内波动，新电极铜原子峰值浓度小于50×10-6，造成新、旧电极烧蚀出现明显差异的原因与上述环形电极烧蚀测量结果原因类似，新电极内壁面光滑，旧电极表面有一定粗糙度，弧根旋转过程中旧电极烧蚀更为明显。

图8 管式电极起弧过程铜原子峰值浓度变化

图9给出了相同试验条件下管式电极-叠片电弧加热器铜原子浓度的测量结果，可以用于表征电极的正常运行和异常运行工况。图9中虚线测量结果显示，电弧加热器起弧，铜原子浓度出现剧烈上升，之后随着加热器运行稳定，铜原子浓度随着下降，并基本平衡，基于该测量结果可以判定电极正常工作；相比之下，实线铜原子浓度变化趋势显示，起弧后铜原子浓度并没有降低，铜原子浓度一直维持在一个较高的水平(>20×10-6)，该测量结果显示铜电极出现持续性的烧蚀，电极异常工作，需要及时更换电极。铜原子浓度在线测量结果可以实时、定量的判定电极烧蚀变化和工作状态，避免因电极烧蚀而引起的设备运行风险，从而保障设备安全运行。

图9 管式电极异常工况和正常工况对比

3.3 环形电极和管式电极对比

图10给出了在相同运行电流(I=1 150 A)下，多车次试验环形电极和管式电极铜原子峰值浓度测量结果统计。由图10可知，环形电极铜原子峰值浓度均小于20×10-6，而管式电极铜原子峰值浓度基本在(200～900)×10-6之间变化，管式电极烧蚀量高于环形电极一个量级，其原因在于，相比于环形电极，管式电极由于缺乏电流分弧，加载在单对电极的电流较大，同时整个试验过程中管式电极缺乏氩气介质保护，造成其电极烧蚀要远远高于环形电极。3次试验后环形电极铜原子烧蚀量只出现轻微增加，管式电极第5次试验铜原子峰值浓度就显著高于之前4次试验结果，铜原子峰值浓度增加表明电极烧蚀加剧，结果表明环形电极寿命要远远高于管式电极。因此，依据铜原子测量结果，本文建立以下判据，判定加热器烧蚀加剧，需要清理、更换电极：① 电弧起弧阶段铜原子峰值浓度显著高于正常值；② 电弧加热器稳定运行后铜原子浓度仍然出现剧烈波动；③ 电弧加热器起弧后铜原子浓度没有下降，稳定运行后铜原子浓度维持在一个较高的水平。

图10 环形电极、管式电极铜原子峰值浓度

4 误差分析

由式(6)和式(7)可知，铜原子浓度的测量误差来源于5项：① 平衡声速法经验公式的偏差，Winovich[27]研究表明，在2.3～23 MJ/kg焓值范围内，经验公式的拟合偏差在4%范围内，同时，在气流焓值高于11.6 MJ/kg(≥5 000 Btu/lb (1 Btu/lb =2 326 J/kg))时，非平衡效应引起的偏差在5%左右，因此,平衡声速法经验公式的偏差为6.4%； ② CuI原子谱线积分强度测量误差；③ OI原子谱线积分强度测量误差；④ 函数f(T) 的误差；⑤ 氧原子摩尔组分浓度XO(T)的误差。CuI和OI原子谱线积分强度的测量误差来自于谱线拟合过程带来的误差，由图4原始光谱数据处理过程可以获得拟合残差，选用Voigt函数拟合的最大残差作为CuI谱线和OI谱线积分强度的测量误差。上述函数f(T)和氧原子浓度XO(T)的误差来源于温度T的测量误差，进一步来源于电弧加热器气流焓值H的误差。由式(7)可知，气流焓值的误差来源：① 压力P0测量误差，本试验采用YZD-2B型压力传感器，量程0～500 kPa，精度为0.1%FS,考虑电弧加热器稳定工作时实测压力的波动，压力测量误差为1%；② 喉道面积A*测量误差，喉道面积的测量误差来自于喷管喉道的机械加工误差和喉道内壁边界层引起的误差，其误差在2%左右；③ 质量流量G测量误差，本试验中质量流量是通过声速流量法计算获得[27]，声速喷嘴的流量测量误差通过与标准气体流量计进行对比，其误差在1%左右。考虑以上因素，采用式(7)平衡声速法的焓值测量误差为6.2%。依照图2(b)中气流焓值与气流温度的定量关系进行灵敏度分析，可以获得电弧加热器弧室内气流温度的误差。在此基础上，依照图2(a) 和图1分别分析XO(T)和fi(T)对温度的灵敏度，可以获得XO(T)和fi(T)的误差，从而获得不同因素对铜原子谱线测量的贡献，具体如表2 所示,基于本方法，铜原子的测量误差为19.6%。

表2 铜原子测量误差评估

5 结 论

本研究发展了基于发射光谱的电弧加热器高温气流在线测量系统，实现对铜原子浓度的实时测量。该测量系统作为电弧加热器测试系统的常规组成部分，可以实时反映电弧加热器电极烧蚀情况，用于判断电弧加热器电极工作状态，保障电弧加热器安全运行，并且测量结果适用于开展防热材料地面试验考核过程铜原子污染组分效应的定量研究，是用于电弧加热器安全运行判定和等离子体高温气流非接触式测量的重要测量手段。基于实际获得的铜原子浓度，获得如下结论：

1) 环形电极电弧加热器启动点弧阶段，弧根不稳定，电弧通道未完全建立，电极烧蚀量较显著, 起弧后铜原子浓度迅速达到峰值，加热器稳定工作欧铜原子的烧蚀量显著下降，铜原子浓度低于1 ppm并保持稳定，电极烧蚀量非常小。

2) 管式电极起弧过程中铜原子变化趋势与环形电极类似，但电极烧蚀量要显著高于环形电极，其原因与电极缺乏分弧和氩气保护有关。

3) 管式新电极的烧蚀量随着运行电流的增加逐渐增加，在I<1 000 A下，铜电极烧蚀量较小；当I>1 000 A时，铜电极烧蚀量出现一个量级的增加，同时对新电极和旧电极的测量结果显示，旧电极烧蚀量要显著高于新电极，其原因与旧电极内壁面粗糙度增加，弧根旋转时电极烧蚀增加有关。

4) 基于铜原子测量结果建立了判定电极失效的判据：① 电弧起弧阶段铜原子峰值浓度显著高于正常值；②电弧加热器稳定运行后铜原子浓度仍然出现剧烈波动；③ 电弧加热器起弧后铜原子浓度没有下降，稳定运行后铜原子浓度维持在一个较高的水平。

本文基于发射光谱开展铜电极烧蚀量定量研究，现有方法的测量误差在19.6%左右，测量误差主要来源于光谱谱线拟合残差和确定电弧加热器弧室气流温度引入的误差，其中谱线拟合残差与光谱原始信号的信噪比有关，后续研究拟采用具有更高灵敏度、光谱分辨率更高的中阶梯光谱仪开展流场光谱诊断，从而实现更高信噪比的谱线测量。本文是利用平衡声速法间接确定气流的温度，加上平衡声速法公式本身的偏差，引入较大测量误差，后续研究采用激光吸收光谱，可直接测量获得电弧加热器弧室内热平衡气流的温度。基于激光吸收光谱结合发射光谱的光学非接触式测量方法可以实现更高精度的电弧加热器电极烧蚀定量研究。下一步研究工作重点开展对电弧风洞自由流和防热材料驻点激波层内铜原子浓度的在线诊断，分析地面试验污染效应对于防热材料气动热考核的影响。