电弧加热发动机羽流的非平衡态光谱诊断

电弧加热发动机是一种为航天器提供机动和控制推力的装置。为了研究电弧加热发动机的工作机理,本文讨论了电弧加热发动机羽流的光谱诊断方法并设计了一套光谱诊断系统。在此系统上,以氩气为工作气体,设定氩气流量和电流,在模拟空间环境下对电弧加热发动机羽流进行了光谱诊断。利用采集到的光谱信号,分别用谱线的绝对强度法和波尔兹曼图法得到了羽流温度的径向分布。测量结果表明本文工况下羽流处在热力学非平衡态下。此外,本文还对测量进行了初步的误差分析。     

微束等离子弧焊电弧三维光谱及其抗干扰解耦

针对焊接电弧二维光谱检测温度场研究的局限性,在以共聚焦光路为关键的三维光谱检测系统基础上,检测到了三维电弧内部任意一点的光辐射强度。以电弧内部垂直于光谱检测方向且过电弧轴中心的各点的光辐射强度,通过借鉴Abel逆变换进行抗干扰解耦,恢复了电弧内部任意一点光辐射强度的相对发射系数,以解决所提出的三维光谱检测系统对电弧内部任意一点进行聚焦光谱检测的干扰问题。根据恢复得到的焊炬高度为2 mm的2 A微束等离子弧焊电弧ArⅡ特征谱线(波长为771.308与856.221 nm)的相对发射系数,通过相对谱线强度法,得到电弧的三维温度分布。进一步讨论了由此得到的电弧温度场分布和电弧形态特征,并与数值模拟计算得到的相同条件下电弧温度场进行了比较。研究表明:该研究提出的三维电弧光谱检测系统能够采集到电弧内部三维空间点的光辐射强度,虽然受到共聚焦光路的限制,采集到的电弧径向端面光谱为拖长的非轴对称圆形,但经过抗干扰解耦后的电弧径向光谱图为轴对称;虽然抗干扰解耦后得到的电弧光辐射相对发射系数分布出现一定的离轴最大化现象,但电弧光辐射强度在离轴了的电弧中心处达到了最大值,该最大光辐射强度从喷嘴至工件呈现先减后增现象,与电弧轴中心光辐射强度分布呈"双峰"态一致;并且电弧径向半径从喷嘴至工件是先减小、再保持、然后增大,其形貌为底部呈蘑菇状的准柱形,也符合相对于2 A焊接电流的短电弧(焊炬高度2 mm)的电弧形态;同时,通过电弧三维光谱检测并经过抗干扰解耦间接得到的2 A电弧的最大温度在微束等离子弧焊电弧的温度范围内,且在归一化后与数值模拟的电弧径向温度场分布较为吻合,误差较小。     

肼电弧增强推力器羽流温度光谱诊断

建立了一套光谱温度诊断系统,对以肼催化分解产物为推进剂的电弧增强推力器羽流信号进行了光谱温度诊断,基于谱线的绝对强度法得到对应不同波长的激发温度,由玻尔兹曼图法获得各条谱线的平均激发温度。结果表明:肼电弧增强推力器羽流中心激发温度最高,沿径向方向迅速下降;羽流的热力学非平衡态程度随径向距离增大和电流减小而降低;羽流温度随肼催化分解混合气中氨气比例增加而升高。     

活性剂等离子弧焊焊接电弧的光谱与热分析

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,利用光谱分析方法对活性剂等离子弧焊焊接电弧进行光谱分析,采用红外热像伪着色法测定活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型,对焊接电弧的成分及焊接电弧温度场进行了研究。研究结果表明,常规等离子焊焊接电弧以氩原子和氩一次电离离子的谱线为主,金属蒸气谱线不突出,焊接电弧以气体粒子为主,属于气体电弧;活性剂等离子弧焊焊接电弧的光谱中氩原子及氩一次离子谱线的辐射强度增强,Ti,Cr,Fe金属谱线大量涌现;活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大;电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式。     

水下湿法焊接引弧过程等离子体温度及电子数密度研究

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但缺乏对其机理方面的研究,利用光谱分析的方法对水下湿法焊接引弧过程的电弧等离子体温度和电子数密度进行了研究。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,对焊接过程中的电流电压及光谱信号进行了同步采集,根据电流电压信号的数据对水下湿法焊接引弧过程进行了界定。在此基础上,通过光谱仪的延时功能分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号,对采集的光谱信号进行分析,标定了计算等离子体温度及电子数密度所需要的Fe元素谱线和H元素谱线,为了保证计算结果的准确性和可靠性,引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据作平均化处理,在标定的Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线,利用玻尔兹曼图示法分别计算了引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度,同时,根据光谱仪检测到的氢元素的α谱线,结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论,计算了水下湿法焊接引弧不同时刻的电子数密度。计算结果表明:在引弧的不同时刻,水下湿法焊接电弧等离子体温度变化呈现不同的特点,在引弧5和20 ms温度值分别出现峰值,到最后稳弧时刻温度值达到4 414 K;电子数密度在引弧不同时刻也不同,同样在引弧5和20 ms出现峰值,在出现峰值点的时刻,电流同样出现峰值。电弧等离子体温度和电子数密度在引弧不同时刻的变化趋势,验证了电弧的形成伴随着空间间隙被击穿的过程,其计算结果可以为进一步从电弧物理的角度探寻水下湿法焊接引弧过程的物理本质,引导并寻求更有效的引弧方法提供重要参考。     

基于Abel逆变换的激光诱导等离子体辐射特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用，但是与传统的分析方法相比，LIBS技术的分析性能还需进一步提高。LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体，从物理机理上研究等离子体特性，对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用，也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础。激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源，空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一。为研究激光诱导等离子体的辐射特性，采用1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体，利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号，通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度，由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值。为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律，首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布，然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件，采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行Abel逆变换，反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布。选取等离子体辐射光谱中的原子谱线Fe Ⅰ: 374.55 nm和Mn Ⅰ: 403.08 nm为研究对象，分析等离子体辐射光谱的空间分布特征，研究结果表明，等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征，这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的；通过Abel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布，结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律，等离子体中心处出现辐射率的极小值，造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度；选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线，采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度，得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布，两者具有类似的变化规律；由等离子体温度的横向空间分布可以看出，随着离样品表面距离的增加，等离子体温度呈现单调减小的趋势，等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低，这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果；由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低，这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的。由此可见，采用Abel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析，为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据，从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础。     

真空电弧等离子体发射光谱诊断

真空断路器的开断容量限制其在高压大电流开断领域的应用,获取燃弧过程中的等离子体参数对于提高真空断路器的开断容量至关重要。利用发射光谱法对真空电弧内的等离子体参数进行了诊断,研究了在不同电流幅值条件下真空电弧内电子温度、电子密度、谱线强度的轴向分布规律,结合真空电弧高速图片对真空电弧内不同粒子的扩散过程与弧柱直径之间的关系进行了分析。得到的电子温度在8000～10 000 K量级,电子密度在1019～1020 m?3量级,电子温度与电子密度从阴极向阳极逐渐下降,同时铜原子谱线强度主要集中在两极而一价铜离子谱线强度由阴极向阳极逐渐升高。铜原子谱线强度的径向分布呈现类平顶波分布、一价铜离子谱线强度的径向分布呈现类高斯分布的特点,且铜原子的谱线范围略大于弧柱直径,一价铜离子的谱线范围略小于弧柱直径,两种粒子的扩散速度存在差异。     

不同水深下水下湿法焊接电弧引弧温度计算

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、电压及光谱信号,对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定,高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、气泡等水下动态变化。在此基础上,设置光谱仪延时,分别采集了引弧5,10,15,20及25 ms的光谱信号;改变水深条件,得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。根据谱线选取原则综合分析,选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理,以保证计算结果的准确性和可靠性。从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线,再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。结果表明：在相同水深条件下,引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的,但其变化趋势并不是简单的线性增加,而是分别在引弧的不同时刻出现峰值;随着水深的增加,水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升,但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢,40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。伴随着水深的增加,水下环境压力增大造成电弧进一步压缩,但压缩量有限。由于电弧被压缩,弧光的强度也增大。通过光谱分析的方法,从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质,对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。     

基于Stark展宽的TIG焊接电弧三维电子密度测量研究

焊接电弧三维电子密度的测量对于焊接质量控制具有重要意义,通过光谱仪采集电弧弦方向特征谱线轮廓,利用多项式拟合对径向采集数据进行降噪及平滑处理,通过Abel逆变换法重新构建径向光谱发射系数谱线轮廓,采用傅里叶变换从重建光谱轮廓中分离出Lorentz线形,获得Stark展宽,最终计算了TIG焊电弧等离子体电子密度的三维空间分布。     

直流电弧等离子区中谱线热激发各基本参量的径向分布

把直流电弧垂直方向的弧柱用二片表面镀铝的反射镜所组成的换向镜横向成象于摄谱仪狭缝,摄取弧柱中部圆截面的光谱。沿谱线的全长测量其强度分布。再利用Λbel数学解式用图解积分法解出谱线相对辐射密度的径向分布。这样所得到的实验数据从理论上可以计算出:1)激发温度;2)平均电离度;3)各元素的电离度;4)电子密度;5)弧柱中各元素相对浓度等的径向分布。实验结果说明:1)在作者以氧化锌为基体的电弧中,电弧形成聚心结构,由弧心向外激发温度降低甚速,不象一般文献所述直流电弧弧心附近有着宽平的温度分布。2)弧心附近(约1/     

激光诱导金属等离子体中的自吸效应研究

为了减小激光诱导等离子体中光谱线自吸收对分析结果的影响,提高发射光谱的谱线质量,实验利用组合式多功能光栅光谱仪和CCD探测器等组成的光谱分析系统记录光谱信息,采用平面反射镜装置对激光等离子体进行约束,比较了不同实验条件下光谱线的线型演化过程,并且通过测量等离子体的温度、电子密度以及样品蒸发量给出了合理解释。实验结果表明,当采用合适的平面反射镜装置约束激光等离子体时,等离子体的轴向温度有所升高,径向温度分布趋于均匀;等离子体的电子密度有较大幅度的提高;然而,样品蒸发量却有比较明显的减小。这几个方面的原因能够有效地降低光谱线的自吸收程度。由此可见,利用平面反射镜装置优化实验条件以后,可以有效减小激光诱导等离子体发射光谱的自吸收效应,在常量元素的定量分析中,允许选择灵敏谱线作为分析线,这为提高激光诱导击穿光谱技术的精确测量奠定了基础。     

Field Emission Electric Propulsion: Emission Site Distribution of Slit Emitters

Field emission electric propulsion is the technological application of the principle of liquid metal ion sources as thrusters in electric space propulsion. Research work sponsored by the European Space Agency (ESA) on a slit-type field ion thruster is reported and discussed. The most significant new features of its emission performance are as follows: For the first time, a slit emitter with a closed propellant supply system was fired in any optional direction, requiring, in principle, no gravitational forces. Quantitative data relating the constituents of the residual gas atmosphere to the wetting behavior of the liquid metal propellant and the emission site distribution were obtained. A homogeneous distribution of equally spaced emission sites was observed; the measured spacing is in good agreement with a simple hydrostatic model of wavelike instabilities on electrically stressed surfaces of fluids.     

微小卫星贮箱内两相流界面变形定位及控制管理

液化气推进技术是微小伴随卫星在轨飞行采用的一种新型推进技术。微小伴星空间调姿、变轨过程需精确的推力控制,因此必须了解卫星推进系统中推进剂的形位分布。本文理论分析了空间微重力环境下液化气推进剂气/液界面的形位分布及变化,并通过落塔实验验证了微重力环境下有效控制液体推进剂的管理方法。     

悬摆法测量气体推进剂激光推进冲量耦合系数

 给出了悬摆法测量激光推进冲量耦合系数的原理，分别以空气、氩气、氮气和氦气为推进剂，用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEA CO₂激光辐照下的冲量耦合系数。实验结果表明：氩气的冲量耦合系数最高，氦气的冲量耦合系数最低；在实验测试的激光能量范围内，4种推进剂气体的激光推进冲量耦合系数基本上都随着激光能量的增加而线性增大，冲量耦合系数的相对误差为5.4%~6.4%。实验结果与国外相关实验结论一致。     

低功率电弧加热发动机喷管扩张段内壁面温度测量

采用滤光成像,摒弃电弧及羽流干扰,实验获得了采用纯氮、纯氢以及氢-氮混合气为推进剂时,低功率电弧加热发动机喷管内壁面的热辐射强度分布。通过辐射强度-温度标定以及图像分析,导出了相应的温度分布。实验结果表明,喷管扩张段内壁面温度最高处位于喉道出口附近。采用不同推进剂时,喷管内壁面温度分布情况有显著区别。     

无工质微波推力器推力测量实验

基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置-----无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、 微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80---2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70---720 mN范围内, 测量总误差小于12%.     

恒星低质量光谱的连续谱拟合方法

恒星的连续谱是由于黑体辐射导致的光辐射强度随波长(频率)连续光滑变化的光谱。每条观测到的光谱数据中都会包含连续谱、谱线和噪声。恒星的分类主要是依据光谱的谱线、连续谱的相对强度以及光谱的其他特征。恒星连续谱的分布以及谱线的轮廓是由恒星大气内的物理因素决定的,也可以根据连续谱及谱线对恒星大气的物理参数进行估计。因而处理光谱的主要问题就是提取连续谱,并且通过归一化进行谱线的提取。恒星连续谱提取的算法主要有多项式逼近、中值滤波、形态滤波以及小波滤波等,但是这些方法对于低质量光谱处理的鲁棒性不是很好,因此有必要研究一种新的算法对低质量光谱的连续谱进行提取。在仔细分析恒星低质量连续谱的基础上,提出一种基于蒙特卡罗方法的低质量恒星连续谱拟合方法。该方法对恒星光谱筛选过程中不在范围内的点利用蒙特卡罗均匀分布进行自动插值,让每一个波长都对应一个流量点,然后对这些流量点进行低阶多项式迭代拟合,从而得到连续谱。为了验证算法对不同信噪比的低质量光谱连续谱提取的鲁棒性,利用不同的信噪比在原始光谱中加入不同的高斯白噪声对低质量光谱进行模拟。结果表明蒙特卡罗算法对不同信噪比的低质量光谱的拟合具有较高的精度与较强的鲁棒性。