等离子体风洞中烧蚀材料测试期间的发射光谱边界层研究

本实验程序的总体目标是表征烧蚀型热防护材料在高焓 NTP 气流中的材料响应及气体-表面相互作用现象，从而为数值模型的开发与验证提供数据支持。该方法有助于回答热防护材料地面测试领域中的关键问题，例如材料的分解机制以及活性边界层所受影响。该技术的主要优势在于仅采用光学测量方法，可获得广泛的信息，且相对易于实现材料分析的标准化。

通常，刚接触等离子体风洞地面测试的人员会因测量技术的复杂性而面临困难。通过可视化演示，将有助于解决这一问题。该技术的应用范围可扩展至多种防热材料，如陶瓷基复合材料，尤其是热解型碳酚醛材料。

首先使用垂直和水平线激光器校准光学系统，将所有组件调整至与测试样品相同的高度，并使透镜与样品驻点线垂直。通过将透镜置于距测试样品计算距离的位置，以及将光纤端面置于距透镜计算距离的位置，来聚焦光路。使用铅笔式汞校准灯照射样品驻点，并将光纤端面定位在成像最清晰的位置。

当透镜光纤系统对准后，将一束激光从光谱仪端的光纤末端射入，用一张白纸在样品端观察聚焦的激光点，以确认其位置正确且聚焦于待测样品前方。可通过使用黑色硬纸板等材料包裹光路，防止除焦点外的任何光线进入光纤末端。通过光纤发射一束激光，检查光纤末端发出的光是否能够直接到达透镜。

随后，使用高速相机（HSC）从垂直于样品表面的方向观察测试样品。利用样品透镜系统的接口对相机光学系统进行水平和垂直校准，确保高速相机视场中心与透镜中心及样品驻点重合。使用数字延迟发生器（DDG）同步高速相机与发射光谱仪。

使用DDG的单个电压脉冲触发高速摄像（HSC）记录，并以所需频率分别触发每次光谱记录。进行辐射测温时，采用双色高温计结合测试腔体上的石英窗口观测表面温度。设置HSC软件时，将高曝光时间设为90毫秒，以便在实验前放置测试样品后对HSC进行对准和聚焦，并采集一次实验前图像。

调整实验的曝光时间。将触发后延迟设为最大值，并设置合适的记录速率以覆盖整个实验过程。将初始光圈值设为16后，将数字延迟发生器（DDG）设置为光谱仪记录光谱所需的期望重复频率。

接下来，设置光谱仪采集软件。确认光学系统位置正确后，使用每台仪器采集背景图像并保存。随后启动等离子体装置，并将其调节至所需的测试状态。

然后开始高清摄像机的录制。接着启动高温计的录制。使用所有光谱仪采集自由流光谱，用于校准比对。

实验结束后，将积分时间从200毫秒降低至50毫秒，以防止信号饱和。通过数字延迟发生器（DDG）按下trig按钮，并将触发模式从外部（external）切换为内部（internal），以触发高速相机（HSC）和光谱仪。随后将待测样品注入等离子体流中。

测试完成后，关闭 DDG。保存 HSC 图像后，停止测温仪的数据采集。随后，将一束激光从光谱仪侧的光纤端口导入光谱仪。

使用 HSC 观察激光焦点，并保存该图像以标记光谱仪的位置。对每个光谱仪重复上述步骤后，将棋盘格置于测试样品位置，用 HSC 记录图像以进行校准。移除测试样品后，记录其重量。

拍摄样品照片后，将其存入样品储存装置中，以保护由氧化纤维构成的脆性炭化层。此时，通过将钨带灯放置在测试腔室内每个收集光学元件的焦点处，对每个光学系统进行光强校准。记录校准灯的光谱。

接下来，观察高速摄像（HSC）视频文件中的样品注入和排出时间，以准确估算测试时间。从HSC视频文件中观察样品注入时滞止点的像素位置。导出先前采集的图像，并在图像上找到光谱仪探测位置对应的亮点像素，以确定其X和Y坐标位置。

随后，打开包含校准光谱波长向量的文件，识别并确定与相关波长对应的行索引。绘制每台光谱仪的光谱积分发射强度随其距表面距离的变化关系。为更清晰地解读结果，对数据进行多项式拟合，并绘制拟合结果。

进行扫描电镜分析时，使用扫描电镜系统选择一根可清晰观察的单根纤维。根据制造商的说明，利用扫描电镜系统软件提供的工具估算原始碳纤维的厚度和纤维长度。使用手术刀切割脆性材料。

然后通过比较被烧蚀纤维与原始纤维的厚度来估算纤维变薄的深度。结果表明，使用测厚仪测量的缩进深度通常比高分辨率扫描成像（HSC成像）获得的数值更大。在空气等离子体中，HSC测定的缩进速率差异不大，可能是由于烧蚀过程受扩散控制所致。

沿烧蚀表面距离绘制的CN谱线积分吸收强度相互之间表现出良好的一致性。通过将低压和高压下的CN紫光实验光谱与模拟光谱进行比较，以获取气体温度。估算得到的温度表明，在低压下明显偏离热平衡状态。

在低压条件下，靠近壁面处的转动温度为8200开尔文，振动电子温度约为21,000开尔文，并随着边界层的延伸而降低。这与高压条件下边界层内处于平衡状态的情况形成对比。显微图像显示，碳纤维在空气等离子体中的氧化导致纤维表面形成钟乳石状形貌，氧化深度约为0.2毫米。

在一些烧蚀试验中观察到明显的火花现象，可能是由表面脱落的高温纤维簇引起的。在氮气等离子体中进行烧蚀会导致材料表面纤维严重降解，从而通过氮化作用使材料缓慢消蚀。尽管关注这些现象具有积极意义，但必须认识到，要深入理解所获得的数据，等离子体射流的实验研究与数值计算均不可或缺。

该方法也可轻松应用于热解材料，以回答其他相关问题，例如其他类型的材料在热解过程中释放气体随时间的变化情况，以及其时间尺度与表面烧蚀过程有何不同。该技术在开发完成后，为航空航天工程领域的研究人员提供了途径，使其能够建立复合材料烧蚀的模型，并利用材料在气相中响应的实验数据。

请注意，操作激光器和碳纤维材料可能存在危险，在进行本实验时需采取防护措施，例如穿戴实验服、手套和护目镜。