爆轟過程可調諧半導體雷射線上診斷技術研究

《爆轟過程可調諧半導體雷射線上診斷技術研究》是依託南京理工大學，由李寧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：爆轟過程可調諧半導體雷射線上診斷技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李寧
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

爆轟過程燃氣組分溫度變化特徵對爆轟機理研究以及脈衝爆轟發動機設計運行最佳化具有重要作用，但目前爆轟波後高溫高壓高速環境下燃燒診斷技術非常缺乏。本項目採用近紅外可調諧半導體雷射吸收光譜方法，對爆轟波後燃氣瞬態線上測量關鍵技術展開研究。針對高壓環境導致的吸收譜線線型變化與疊加影響，建立Voigt多譜線光譜分析模型，進行壓力變化對吸收光譜特性分析研究。採用多路波分復用技術解決多組分測量與3000K範圍內氣體溫度測量問題，分析高溫下譜線精度及熱譜線干擾影響。對機械振動與燃氣密度梯度光路偏轉效應影響下超音速流體測量信號以及雷射耦合效率等因素進行詳細分析，採用波長快速掃描與調製技術消除光強非吸收性衰減影響。研究最終用於爆轟過程燃料、燃氣組分和溫度實時監控，推動爆轟推進機理的深入，實現脈衝爆轟發動機最佳化運行與參數匹配控制，提高發動機工作效率。研究結果對爆轟推進在航空航天以及軍用方面工程化套用有著重要意義。

結題摘要

爆轟過程燃氣組分溫度速度的線上測量對於爆轟機理研究以及脈衝爆轟發動機設計運行最佳化具有重要作用。本項目基於近紅外可調諧半導體雷射吸收光譜理論，通過深入研究高溫高壓環境下燃氣測試技術，實現對於氣液兩相脈衝爆轟發動機的診斷分析。項目首先對高溫高壓環境雷射吸收光譜理論及測試方法進行研究。藉助於HITRAN光譜資料庫建立了高壓環境吸收光譜模型，分析了壓力變化所導致的吸收譜線Lorentz線型變化及光譜信號疊加影響，提出基於線性擬合的高壓環境吸收光譜計算方法，完成了2MPa範圍內疊加吸收光譜的靜態試驗和誤差分析。針對調製吸收光譜技術，提出了變壓力環境下非標定波長調製氣體測量方法，避免了複雜苛刻的標定過程。在近紅外波段建立多譜線高溫燃氣測量模型，深入研究邊界效應對溫度測量的影響，發展了多波長吸收光譜求解方法以適應具有明顯溫度梯度的測量環境。研究可調諧半導體雷射器在調製電壓下能量和波長變化特性。根據脈衝爆轟發動機工作特點，設計了基於多波長波分復用技術的光纖分散式脈衝爆轟發動機測試系統，時間解析度可達10μs。採用光纖傳輸方式並利用透鏡實現光束的準直發射與高效耦合，結合高頻波長掃描解決爆轟過程強振動等問題。對發動機工作過程雷射能量與吸收光譜信號變化特性進行分析，掌握了爆轟過程燃氣壓力變化規律。對氣液兩相脈衝爆轟發動機點火段、燃燒轉爆轟段以及出口段進行了測試研究，實現對爆轟過程的診斷分析。結果表明爆轟波後燃氣溫度迅速提升至2412K，在1.49~5.85ms時間段內保持850K溫度平台。爆轟燃氣最高噴射速度可達1172m/s，超音速噴射時間5.7ms，亞音速噴射時間19.3ms。利用燃氣光譜吸收率變化研究新鮮燃料填充過程，實現對於脈衝爆轟發動機高效運行控制。提出了非接觸式發動機推力測試方法，分析了爆轟過程發動機推力變化特性。結果表明脈衝爆轟發動機單循環比沖為3.26 N⋅s，爆轟波後5.16ms內59%燃氣質量貢獻了發動機總衝量86%，燃氣處於欠膨脹狀態，通過合理的噴管設計可進一步提升發動機推力性能。項目研究一方面可提升爆轟機理研究水平，為爆轟仿真提供數據支撐。另一方面充實高壓環境下吸收光譜測試理論，拓寬吸收光譜技術在高壓燃燒診斷領域內的套用。通過對脈衝爆轟發動機等新型超音速發動機的線上診斷，實現發動機最佳化控制，提高發動機工作效率，推動爆轟推進技術在航空航天以及兵器領域的套用。