客户成就 | 从光谱到流场：高温高速激波管的紫外光学诊断技术

2026-05-12 14:49:51, 牛津仪器牛津仪器科技（上海）有限公司

本文作者

Maïlys T. B. Buquet, Benjamin A. O. Williams, Paul Ewart, Alex Glenn, Matthew McGilvray and Tobias Hermann, 来自牛津大学

大气层再入过程中，由于周围流场的高焓值，飞行器表面会承受强烈的热通量。预测这种热通量的主要不确定性来源是热化学非平衡，它会显著影响表面热通量、剪切应力、气体辐射和整体流动特性。由于计算模型的预测误差可能高达±80% ^[1]，因此热防护系统通常设计得过大，导致飞行器质量过重，从而限制了其性能和有效载荷能力。

为了改进高超声速飞行器和再入飞行器的设计，需要更精确地预测非平衡流。地面试验旨在重现与飞行相关的流动条件，以研究关键的流动特征。激波管试验装置就是一种典型的实验装置，其中正激波瞬时穿过一根直管^{[2, 3, 4, 5, 6]}。激波速度代表了所需的飞行条件，试验气体的成分和密度与飞行期间大气自由流的成分和密度相匹配。光学诊断技术，例如光发射光谱（OES）^{[3, 7, 8]}和激光吸收光谱（LAS）^{[9, 10]}，可以分析激波附近的气体辐射和热化学性质。OES和LAS都能解析高焓流的光谱特性，但它们产生的数据类型截然不同。

实验和诊断

本研究使用的测试设备是T6 Stalker隧道^{[11, 12, 13, 14]}，工作于激波管模式。T6隧道强大的驱动条件使其能够在保持较大管径的同时产生高激波速度。这种长光程设计使得光谱数据测量具有更高的信噪比，同时最大限度地缩短曝光时间，从而减少激波运动造成的空间模糊。本研究采用了两种诊断方法：一种是真空紫外（VUV）光发射光谱仪（OES），用于对测试段发出的光进行成像；另一种是紫外激光吸收光谱仪（LAS），它将上述成像光学系统与可调谐波长的定制无模式染料激光器相结合。由于分子氧和水蒸气会吸收空气中的VUV光，因此该装置必须在无氧干燥气体环境或高真空环境下运行；本研究采用的是后者。真空腔内的反射系统将来自测试部分的光引导到连接到 McPherson 207V 光谱仪上，该光谱仪配置了增强型P43 iStar sCMOS (iSTAR-SCMOS-18U-05) 。

图 1^[15]：隧道光学诊断示意图，其中 VUV 增强成像光谱装置位于隧道一侧（上图），紫外激光从与隧道直径相对的窗口进入测试段（下图）。它们的光路分别用紫色和蓝色表示。

结果

本研究考察的流动条件包括速度在 3.3 km· s⁻¹到 10 km· s⁻¹之间，冲击后压力在 13 到 150 kPa 之间变化，以观察非平衡区和平衡区的热化学性质如何随压力和速度变化。

图2所示的四种情况包括两种低速情况（上图）和两种稍高速情况（下图），每种情况均具有低（左）和高（右）的激波后压力。这种设置允许研究压力和速度对非平衡区和平衡区气体热化学的影响。从辐射亮度图中可以看出，低激波后压力条件下，气体倾向于弛豫到与激波前状态相似的平衡水平，而高激波后压力则会导致更高的平衡水平。由于低压下粒子数量较少，碰撞减少，非平衡区在空间上延伸得更远——这种趋势在低速情况下可见，但在高速情况下则不明显。高压下更高的粒子密度和更多的NO解离可能导致更多的自吸收，这或许可以解释为什么条件4的辐射强度大约是条件1、2和3的一半。我们将通过与热化学和辐射模拟进行比较，对这些光谱进行进一步分析，以确定高能物质的数密度并量化自吸收效应。

图2改编自^[15]：高低速、高低冲击后压力的空间分辨 VUV 发射光谱。

在正式拍摄激之前，使用相同的相机增益设置拍摄了激光束图像（图 3左上角），并将对这些图像进行缩放，以校正因 Q 开关门控引起的强度差异。该校准图像用于对拍摄图像进行归一化，并显示吸收特征，如图 3右上角所示。在本例中，吸收非常强，光束几乎完全被吸收。为了便于观察和比较，图 3顶部两幅图像的强度被限制在 8000，这使得拍摄前的光束信号（原始计数高达 50,000）达到饱和，但同时也使拍摄图像在可比尺度上清晰可见。

未来工作中将采用一种更精确的校准方法，利用冲击前的数据——此时激光信号不受流动影响——（图3右下角）。这提供了一个与吸收过程条件（背景、门控时间和脉冲强度）相匹配的校准参考。图4展示了距冲击波阵面不同距离处的空间分辨吸收特征：未受扰动的冲击前区域、完全吸收的非平衡区域以及信号在下游约20 mm处重新出现的弛豫区域。与冲击前信号相比，两束光的相对强度发生了变化，长波长光束的初始强度更高，在226.71 nm附近表现出更强的吸收。短波长光束在下游更远处也出现了225.96 nm和225.99 nm处的吸收峰。这些吸收特征为解析低能量子态数密度的绝对空间变化提供了数据。

图 3^[15]：冲击波穿过测试段时的光束（左上）与冲击波前的光束（右上）对比。底部显示了校准信号与冲击信号的比值。冲击波的位置可以通过光束强度的急剧变化来确定。强度单位为像素计数（AU）。

图 4^[15]：不同位置的空间分辨吸收特征。从下到上：1）冲击前，2-3）非平衡边界，以及 4-7）弛豫区。

Andor的istar系列ICCD和IsCMOS，以及Open Front系列真空紫外CCD，广泛与国内外真空紫外光谱仪厂家联用，对0.1-10keV波段的各类紫外光谱系统，提供稳定可靠的探测器。

其中istar系列像增强相机，可探测低至135nm，具备2ns的门控功能，iscmos更提供PIV模式，广泛用于科研和工业中的流体可视化。而Open Front系列真空紫外CCD具备低噪声，单光子灵敏度性能，对于极弱光的探测有着天然的优势，而且在0.1-10keV波段均有良好的响应，与之相对的sCMOS则只能探测60-1kev的波段。

参考文献

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[15] M. T. B. Buquet, B. A. O. Williams, P. Ewart, A. Glenn, M. McGilvray and T. Hermann, “Preliminary Data of Vacuum Ultraviolet Emission and Ultraviolet Absorption Spectroscopy in the T6 Stalker Shock Tube”, 3rd International Conference on Flight Vehicles, Aerothermodynamics and Re-entry (FAR), 2025.

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