爆轰过程可调谐半导体激光在线诊断技术研究

爆轰过程燃气组分温度变化特征对爆轰机理研究以及脉冲爆轰发动机设计运行优化具有重要作用，但目前爆轰波后高温高压高速环境下燃烧诊断技术非常缺乏。本项目采用近红外可调谐半导体激光吸收光谱方法，对爆轰波后燃气瞬态在线测量关键技术展开研究。针对高压环境导致的吸收谱线线型变化与叠加影响，建立Voigt多谱线光谱分析模型，进行压力变化对吸收光谱特性分析研究。采用多路波分复用技术解决多组分测量与3000K范围内气体温度测量问题，分析高温下谱线精度及热谱线干扰影响。对机械振动与燃气密度梯度光路偏转效应影响下超音速流体测量信号以及激光耦合效率等因素进行详细分析，采用波长快速扫描与调制技术消除光强非吸收性衰减影响。研究最终用于爆轰过程燃料、燃气组分和温度实时监控，推动爆轰推进机理的深入，实现脉冲爆轰发动机优化运行与参数匹配控制，提高发动机工作效率。研究结果对爆轰推进在航空航天以及军用方面工程化应用有着重要意义。

爆轰过程燃气组分温度速度的在线测量对于爆轰机理研究以及脉冲爆轰发动机设计运行优化具有重要作用。本项目基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱理论，通过深入研究高温高压环境下燃气测试技术，实现对于气液两相脉冲爆轰发动机的诊断分析。项目首先对高温高压环境激光吸收光谱理论及测试方法进行研究。借助于HITRAN光谱数据库建立了高压环境吸收光谱模型，分析了压力变化所导致的吸收谱线Lorentz线型变化及光谱信号叠加影响，提出基于线性拟合的高压环境吸收光谱计算方法，完成了2MPa范围内叠加吸收光谱的静态试验和误差分析。针对调制吸收光谱技术，提出了变压力环境下非标定波长调制气体测量方法，避免了复杂苛刻的标定过程。在近红外波段建立多谱线高温燃气测量模型，深入研究边界效应对温度测量的影响，发展了多波长吸收光谱求解方法以适应具有明显温度梯度的测量环境。研究可调谐半导体激光器在调制电压下能量和波长变化特性。根据脉冲爆轰发动机工作特点，设计了基于多波长波分复用技术的光纤分布式脉冲爆轰发动机测试系统，时间分辨率可达10μs。采用光纤传输方式并利用透镜实现光束的准直发射与高效耦合，结合高频波长扫描解决爆轰过程强振动等问题。对发动机工作过程激光能量与吸收光谱信号变化特性进行分析，掌握了爆轰过程燃气压力变化规律。对气液两相脉冲爆轰发动机点火段、燃烧转爆轰段以及出口段进行了测试研究，实现对爆轰过程的诊断分析。结果表明爆轰波后燃气温度迅速提升至2412K，在1.49~5.85ms时间段内保持850K温度平台。爆轰燃气最高喷射速度可达1172m/s，超音速喷射时间5.7ms，亚音速喷射时间19.3ms。利用燃气光谱吸收率变化研究新鲜燃料填充过程，实现对于脉冲爆轰发动机高效运行控制。提出了非接触式发动机推力测试方法，分析了爆轰过程发动机推力变化特性。结果表明脉冲爆轰发动机单循环比冲为3.26 N⋅s，爆轰波后5.16ms内59%燃气质量贡献了发动机总冲量86%，燃气处于欠膨胀状态，通过合理的喷管设计可进一步提升发动机推力性能。项目研究一方面可提升爆轰机理研究水平，为爆轰仿真提供数据支撑。另一方面充实高压环境下吸收光谱测试理论，拓宽吸收光谱技术在高压燃烧诊断领域内的应用。通过对脉冲爆轰发动机等新型超音速发动机的在线诊断，实现发动机优化控制，提高发动机工作效率，推动爆轰推进技术在航空航天以及兵器领域的应用。