一种高焓流场光电特性辨识装置及方法

摘要

本发明提供了一种高焓流场光电特性辨识装置及方法，装置包括模型、高焓激波风洞、测试光路系统及数据处理系统；高焓激波风洞用于产生高焓气流；模型内部不同位置安装多个光电探头，用于采集模型表面的光谱信息；测试光路系统布置在试验段外，包括光电探头II、光栅和光谱仪，光电探头II透过试验段的光学窗口采集模型表面的光谱信息，其采集光路与光电探头I的采集光路在模型表面相交；光电探头II采集的光谱信息经光栅处理后发送至光谱仪，光电探头I将采集的光谱信息传送光谱仪，随后光谱仪将光谱信息传送到至数据处理系统，根据光谱分析方法和原理提取光谱信息，结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得模型表面高焓流场的光电特性。

说明书

技术领域

本发明属于高焓激波风洞工程技术领域，特别涉及一种高焓流场光电特性辨识装置及方法。

背景技术

飞行器进入地球、火星等行星大气时，周围气体通过激波加热或者黏性阻滞作用，会产生数千度甚至上万度的高温，引起气体分子振动能激发、离解、复合和电离，飞行器周围气体呈现高温气体属性，使得气体分子的物理属性和流场特性发生显著改变。高温效应主要表现在如下三个方面：1)气体的分子和原子能量激发和化学反应吸收了大量的能量，会降低流场的温度和改变压力梯度，从而改变了飞行器的受力、受热环境；2)高温下热化学反应产生的离子和电子形成的等离子鞘套，对飞行器的无线通讯产生屏蔽作用，导致黑账现象；3)高温下气体原子和分子的能级跃迁产生光子辐射，光辐射现象导致飞行器光学特性发生改变，严重的光辐射可以改变飞行器的热环境。飞行器及其尾流的光电特性还对目标的识别、监视、跟踪及拦截产生影响。高温中由于密度低、飞行速度快，非平衡效应占主导地位。飞行器的光电特性由于其重要性和复杂程度，一直是空气动力学研究的前沿课题，因而有必要继续深入开展对高焓流场光电特性的辨识研究，为飞行器目标的识别、监视、跟踪及拦截提供一种经过地面试验验证的可行思路。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高焓流场光电特性辨识装置及方法，通过单次试验即可获得模型周围流场组分连续光谱信息，进而获得模型周围流场的紫外、可见光和红外的光辐射强度，还可以获得流场的振动温度和各分子的组分信息，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种高焓流场光电特性辨识装置，包括模型1、高焓激波风洞、测试光路系统及数据处理系统；其中，所述高焓激波风洞包括喷管、试验段和激波管，所述激波管与下游的喷管和试验段依次连通，激波管中增温增压后的试验气体流过喷管形成高焓气体，高焓气体进入试验段后流过模型；试验段上设置有多个光学窗口，光学窗口通过光学玻璃II封闭；

所述模型为大钝头或者平头结构，内部不同位置安装多个光电探头(图2)，用于采集模型表面的光谱信息；

所述测试光路系统布置在试验段外且基于光谱仪搭建，包括光电探头II、光栅和光谱仪，所述光电探头II透过试验段的光学窗口采集模型表面的光谱信息，光电探头II与光电探头I的数目相同，其采集光路与光电探头I的采集光路在模型表面相交；光电探头II采集的光谱信息经光栅处理后发送至光谱仪，光电探头I将采集的光谱信息发送至光谱仪，光谱仪用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息发送至数据处理系统进行对比融合，再结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得模型表面高焓流场的光电特性。

第二方面，一种高焓流场光电特性辨识方法，包括如下步骤：

入射激波到达激波管末端后触发压力传感器，激波管末端传感器产生的触发信号启动光谱仪工作；

光电探头II与光电探头I的数目相同，两者的采集光路在模型表面相交，分别采集模型表面的光谱信息；

光电探头II采集的光谱信息经光栅处理后发送至光谱仪，光电探头I将采集的光谱信息发送至光谱仪，光谱仪用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息通过光纤发送至数据处理系统，进行对比融合，再结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得模型表面高焓流场的光电特性。

根据本发明提供的一种高焓流场光电特性辨识装置及方法，具有以下有益效果：

本发明提供的一种高焓流场光电特性辨识装置及方法，为飞行器目标的识别、监视、跟踪及拦截提供一种经过地面试验验证的可行思路，不仅仅一次试验能获得模型周围多处流场组分连续光谱信息，进而获得模型周围流场的紫外、可见光和红外的光辐射强度，还可以获得流场的振动温度和各分子的组分信息。

附图说明

图1为高焓流场光电特性辨识装置的示意图；

图2为安装光电探头的模型的结构示意图；

图3为光电探头II测得的光谱信息；

图4为光电探头I测得的光谱信息。

附图标号说明

1-模型；2-光电探头I；3-光学玻璃I；4-喷管；5-试验段；6-光电探头II；7-光栅；8-光学玻璃II；9-光谱仪；10-数据处理系统；11-激波管。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明的第一方面，提供了一种高焓流场光电特性辨识装置，如图1所示，包括模型1、高焓激波风洞、测试光路系统及数据处理系统；其中，

所述高焓激波风洞包括喷管4、试验段5和激波管11，所述激波管11与下游的喷管4和试验段5依次连通，激波管11中增温增压后的试验气体流过喷管4形成高焓气体，高焓气体进入试验段5后流过模型1；试验段5上设置有多个光学窗口，光学窗口通过光学玻璃II 8封闭；

所述模型1为大钝头或者平头结构，内部不同位置安装多个光电探头2(图2)，用于采集模型表面的光谱信息；

所述测试光路系统布置在试验段5外且基于光谱仪9搭建，包括光电探头II 6、光栅7和光谱仪9，所述光电探头II 6透过试验段5的光学窗口采集模型表面的光谱信息，光电探头II 6与光电探头I 2的数目相同，其采集光路与光电探头I 2的采集光路在模型表面相交(即试验段外的采集光路和模型1内的采集光路在模型表面相交)；光电探头II 6采集的光谱信息经光栅7处理后发送至光谱仪9，光电探头I 2将采集的光谱信息发送至光谱仪9，光谱仪9用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息发送至数据处理系统10进行对比融合，再结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得模型表面高焓流场的光电特性。

在一种优选的实施方式中，所述模型1上对应光电探头I 2的安装位置安装有光学玻璃I 3，所述光学玻璃I 3对流场光谱不吸收和不反射，表面抛光，与模型配合加工，结合处表面光滑过渡。

在一种优选的实施方式中，所述光电探头I 2与光谱仪9之间也可以安装光栅，采集的光谱信息经光栅处理后发送至光谱仪9。光谱仪(9)记录的光谱信息I

其中，R为流动截面的半径，即光电探头发射的光谱达到的距离；r为径向坐标，即从起始点达到R之间的路径，x为起始点坐标，即光电探头所在位置。对于轴对称流动或者复杂的三维流动，都可建立类似于上述轴对称流动的积分方程式，并且都发展了求解光谱发射率ε

光谱发射率ε

式中A，B——连续谱的截距和斜率；

ν

ε

P

s(v)——仪表函数；

ν——谱线频率；

ν”——高振动态频率；

ν'——低振动态频率。

在一种优选的实施方式中，所述高焓流场由高焓激波风洞产生，高焓激波风洞能够复现高温高压的飞行环境，高焓喷管4出口提供纯净的试验气体，试验气体可以为空气、二氧化碳和纯净氮气等，试验气体总温超过3000K。

在一种优选的实施方式中，所述激波管11的末端安装有压力传感器，试验气体到达激波管11的末端时触发压力传感器，由压力传感器产生的触发信号启动光谱仪9工作。

本发明中，光谱仪9不仅仅能够测得流动的紫外光谱、可见光光谱和红外光谱，还能够得到流场的振动温度和组分信息。具体地，利用双线法测量振动温度T

式中，E

将得到的光谱信息(式1)，利用Lomakin公式和内标法配合，能获得不同组分成分的定量测量，根据Boltzmann分布定律，获得Boltzmann分布图谱。

本发明中，光谱仪采集到两路流场信息，经分子光谱检测及数据处理系统10，结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得高焓流场光电特性。具体地，本发明采用两种测量角度采集流场光电特性：一种是从周围流场外进行光路聚焦采集；一种是在模型表面安装小型石英玻璃观察窗，实现从模型表面测量，避免流场干扰，并且聚焦光路于模型前段表面位置。

在一种优选的实施方式中，数据处理系统(10)采用最小二乘法确定出连续谱亮度、谱线总发射率、多普勒发射率、多普勒宽度、以及色散半宽度等物理量值，得到不同能级分子光谱数据。

在一种优选的实施方式中，多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术的控制方程为三维非平衡Navier-Stokes方程：

式中U为守恒量矢量，F、G、E分别为直角坐标系各方向上的对流通量矢量，F

根据本发明的第二方面，提供了一种高焓流场光电特性辨识方法，具体过程如图1所示，包括如下步骤：

当入射激波到达激波管11末端后，激波管11末端传感器产生的触发信号使得光谱仪9工作；

光电探头II 6与光电探头I 2的数目相同，两者的采集光路在模型表面相交，分别采集模型表面的光谱信息；

光电探头II 6采集的光谱信息经光栅7处理后发送至光谱仪9，光电探头I2将采集的光谱信息发送至光谱仪9，光谱仪9用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息通过光纤发送至数据处理系统10进行对比融合，经处理后获得流场的光谱信息，图3和图4为模型表面处在总温4050K、总压20.3MPa测量结果，可以清晰看到光谱在500～600nm都存在峰值。结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术进行对比验证，获得模型表面高焓流场的光电特性。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。