[发明专利]一种电弧加热器健康运行及漏水故障诊断系统

说明书

本发明实施例公开了一种电弧加热器健康运行及漏水故障诊断系统，包括电弧加热器，用于形成高焓气流；辐射采集模块，对高焓气流的辐射发光进行采集；喷管，对穿过辐射采集模块的高焓气流膨胀加速后，送入模型实验舱；一分四路光纤，连接辐射采集模块，并将采集数据传输至四台独立且不同波段的光谱测量模块；数据处理模块，对光谱测量模块的测量数据进行分析处理，可实现多种原子(例如氧、铜、镍、钴、氢等)辐射谱线的精确辨析，以氧原子的谱线发射光谱强度作为参考，与其他原子谱线光谱强度进行对比，可实现目标组分的定量诊断，根据测量结果，可实现电弧加热器健康运行状态在线监测及漏水故障诊断。

技术领域

本发明属于飞行器地面气动热试验研究技术领域，具体涉及一种电弧加热器健康运行及漏水故障诊断系统。

背景技术

热防护问题是高超声速飞行器设计的核心问题之一，电弧加热器可以复现飞行器高速飞行时的主要热参数，例如总焓、热流等，是世界各国进行高超声速飞行器防热材料筛选和热防护系统考核的主要地面试验设备，电弧加热器通过加载在电极两端的高电压产生电弧并加热试验气体，由于高电压、大电流加载在电极上产生的巨大热流及加热器内高温气体冲刷等因素的综合作用，必然会导致电弧加热器电极以及其高温合金部件的烧蚀，在气动热试验中，上述因烧蚀产生的铜、镍、钴粒子进入到高焓气流中，会污染气动热环境，需对其污染效应对防热材料地面考核的影响进行评估，这些都要求采用有效手段对烧蚀产物铜、镍、钴粒子有效诊断；

此外，为了延长电弧加热器寿命及提高其工作稳定性，普遍采用高压水对电极及高温合金部件进行强制冷却，但即便如此，电极及高温合金部件烧蚀仍不可避免，因此又引入一个新的问题，即存在烧蚀量积累导致电极及高温合金部件烧穿漏水的风险，一旦发生漏水故障电弧加热器没有及时停车，高压冷却水会迅速进入电弧加热器，造成加热器内部短路进而导致电弧加热器内部严重烧伤甚至烧毁，特别是对于数百秒甚至数千秒的长时间气动热试验，更加剧了发生这种风险的可能性。

在上述背景下，通过有效测量手段对电弧加热器健康运行状态实时监测，并兼具漏水故障诊断能力是非常有意义的。由于电弧加热器内的高焓恶劣环境，传统接触式测量手段无法有效实时测量电弧加热器工作过程中铜电极、高温合金部件烧蚀，更对准确诊断是否发生漏水故障无能为力。近年来，以发射光谱技术为代表的非接触式光谱学测量方法因具备流场多参数实时诊断的能力和对流场无干扰的优点，成为了国际上高温、高超设备流场诊断技术的发展热点，相比于其他光谱诊断技术例如激光诱导荧光、激光吸收光谱等，发射光谱技术以高温气体自发辐射为基础，光学系统及光路设计简单，在大功率电弧加热器苛刻运行环境下较容易实现。

鉴于发射光谱技术的优点，科研人员已尝试发射光谱技术用于电弧加热器电极烧蚀、漏水故障诊断的探索工作，取得了一定的成果，验证了其可行性，2015年，中国航天空气动力技术研究院的林鑫等使用光电倍增管配合窄带滤波片的实验方案，获得铜原子510.6nm特征发射谱线与其相近且不受到原子线干扰的500nm背景光谱的比值，实现对电弧加热器铜电极烧蚀的定性分析，但该方法无法实现对于铜电极烧蚀的定量测量，且受制于实验设备，无法获得高温合金部件的烧蚀信息，对于漏水故障诊断也无能为力；2016年，中国航天空气动力技术研究院的林鑫等提出一种基于氢原子辐射的电弧加热器漏水故障诊断方法，通过捕捉流场中是否出现氢原子656.3nm的特征谱线判定是否出现漏水故障，并基于热力学平衡计算，实现了对于漏水初始时刻漏水量的定量测量，但该方法并没有对电弧加热器烧蚀组分在线诊断，对于能否准确监测电弧加热器健康运行状态有所欠缺；2018年，中国科学院力学研究所的林鑫等提出一种基于氧原子发射光谱的中低焓电弧加热器漏水故障诊断方法，并证明技术应用于中低焓电弧加热器漏水故障诊断具有较强的发展潜力，受制于所用光谱仪的精度不够，该方法仅局限于针对中低电弧加热器漏水故障诊断，没有同时对电弧加热器电极及高温合金部件烧蚀组分进行定量测量。

发明内容