научная статья по теме ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В СМЕСИ CO : N2 ЗА СИЛЬНЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В СМЕСИ CO : N2 ЗА СИЛЬНЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 6, с. 807-813

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ

УДК 535.338.4

ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В СМЕСИ СО^2 ЗА СИЛЬНЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ

© 2007 г. Е. М. Анохин, Т. Ю. Иванова, Н. Н. Кудрявцев, А. Ю. Стариковский

Московский физико-технический институт Поступила в редакцию 21.09.2006 г.

Проведены эксперименты по определению спектрального состава и динамики излучения в смеси С0^2 за фронтом падающей ударной волны при скоростях до 6.5 км/с и начальных давлениях смеси 1-9 Тор. Получены абсолютные значения интенсивности излучения. Определено, что основным источником излучения в исследуемых условиях является фиолетовая система Рассмотрены также четвертая положительная система СО и система Свана молекулы С2. Проведено сравнение интенсивности излучения и временной динамики перечисленных молекулярных систем.

PACS:52.25.Os, 52.35.Te

ВВЕДЕНИЕ

Изучение процессов за фронтом сильных ударных волн является актуальной задачей в связи с разработкой программ полетов к ближайшим планетам, таким, как Марс и Венера. Как известно, при входе в верхние слои атмосферы перед летательным аппаратом возникает ударная волна. В условиях высоких скоростей и низких плотностей газа радиационный поток за ее фронтом может вносить значительный вклад в суммарный теплопоток. Выявление основных зон энерговыделения и оценка абсолютных значений интенсивности излучения в смесях, идентичных по составу атмосфере Марса и Венеры, представляют значительную ценность как для прикладных, так и для фундаментальных исследований.

Экспериментальные работы в данной области обычно проводят на ударных трубах [1], условия в которых наиболее приближены к реальным условиям входа в верхние слои атмосферы. Наряду с ударными трубами для моделирования высокотемпературного излучения применяются различного рода газовые разряды [2, 3]. Однако, например, при использовании СВЧ-разряда спектральный состав излучения существенно зависит от давления газа и вкладываемой в разряд мощности, и возникает вопрос о соответствии параметров газового разряда параметрам набегающей ударной волны. Поэтому в настоящее время наиболее достоверными, по мнению авторов, являются экспериментальные данные, полученные на ударных трубах.

Наряду с исследованием смесей, близких по составу атмосферам ближайших планет, значительный интерес для высокотемпературной физико-химической кинетики представляют исследования в модельных смесях, результаты которых используются для проверки и настройки различных кинетических моделей и схем.

В данной работе была выбрана модельная смесь, содержащая 70% СО и 30% К2. Такая смесь изначально не содержит трехатомной молекулы СО2, что приводит к значительному упрощению описания процессов химической кинетики.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ

Используемая экспериментальная установка представляла собой ударную трубу из нержавеющей стали круглого сечения с внутренним диаметром 77 мм. Длина камеры высокого давления (КВД) составляла 1.5 м, низкого давления - 5.5 м. С камерой низкого давления (КНД) через диафрагму соединялся расширительный объем, служивший для сброса давления по окончании эксперимента. Типичные давления исследуемого газа в камере низкого давления составляли от 1 до 10 Тор. Откачка камеры низкого давления проводилась до давления 10-2 Тор (с натеканием до 10-4 Тор/мин) двумя насосами 2НВР-5ДМ, производительностью 5 л/мин каждый. Давление в КНД контролировалось термопарной лампой ПМТ-2, установленной в вакуумный тракт трубы. Давление в КВД и расширительном объеме контролировалось с помощью деформационных манометров, так как давление в этих местах критического значения для установки в целом не имеет.

Блок-схема экспериментальной установки в общем виде представлена на рис. 1. При проведении экспериментов камера низкого давления наполнялась исследуемой газовой смесью до требуемого давления с помощью пульта КНД. Камера высокого давления работала во взрывном режиме. В качестве толкающего газа использовалась кислородно-водородно-гелиевая смесь. Изменение относительных парциальных давлений гелия и

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: КВД - камера высокого давления, КНД - камера низкого давления, балласт - расширительный объем, ДД -датчики давления, пульт КВД(КНД) - пульт напуска газа в КВД(КНД), генератор ВН - генератор высокого напряжения для поджига смеси, ЭОП - электронно-оптический преобразователь (стрик-камера Hamamatsu С5680), С8-13 и Г5-56 - осциллограф и генератор импульсов для синхронизации работы ЭОП.

стехиометрической кислородно-водородной смеси позволяло регулировать интенсивность ударной волны. Высокие давление и температура в КВД достигались сжиганием кислородно-водородной смеси, которая при сгорании нагревала гелий, являвшийся поршнем, создающим ударную волну. Поджиг газовой смеси производился с помощью четырех свечей зажигания, на которые подавалось напряжение с высоковольтного генератора. При разрыве диафрагмы, соединяющей КНД и кВд, в камере низкого давления формировалась ударная волна. Скорость ударной волны регистрировалась с помощью двух пьезоэлектрических датчиков давления, установленных заподлицо со стенками на расстоянии 890 мм друг от друга. Погрешность определения скорости в проводимых экспериментах не превышала 2%.

Основным методом диагностики излучающего газа за фронтом падающей ударной волны являлась эмиссионная спектроскопия. В видимой области спектра использовалась система, состоящая из широкополосного спектрометра и стрик-камеры Иашаша18и С5680 (электронно-оптического преобразователя с быстрой временной разверткой), соединенной с ЭВМ. В качестве синхронизирующего сигнала брался сигнал с пьезоэлектрического датчика давления, расположенного перед основным диагностическим сечением. Необходимая задержка запуска диагностической системы формировалась с помощью осциллографа С8-13 и генератора импульсов Г5-56. Использование решетки с 22.5 штрихами на мм позволяло регистрировать спектр излучения в широком диапазоне длин волн (от 300 до 600 нм) за один запуск

ударной трубы. Излучение газа из ударной трубы фокусировалось на входную щель спектрометра с помощью зеркальной оптической системы, состоящей из плоского и сферического зеркал, развернутых друг к другу под небольшим углом. Пространственное разрешение такой системы составляло порядка 2 мм, поэтому при скорости ударной волны 5 км/с временное разрешение составляло порядка 0.4 мкс.

Для регистрации излучения в области вакуумного ультрафиолета применялась система, состоящая из вакуумного монохроматора McPherson 234/302 с голографической решеткой, оптимизированной под длину волны 150 нм, и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-181 со спектральной чувствительностью от 115 до 800 нм, соединенного с выходным окном вакуумного монохроматора. Перед монохроматором, в вакуумном тракте, устанавливалась щель шириной 0.3 мм, что при ширине входной щели монохроматора 0.5 мм и при скоростях ударной волны около 5 км/с позволяло проводить диагностику с разрешением по времени порядка 0.3 мкс. Ширина выходной щели монохроматора составляла 3 мм, поэтому при дисперсии 3.4 нм/мм было возможно получить информацию об интегральной интенсивности излучения в спектральном диапазоне шириной 10.2 нм. Для измерений в области вакуумного ультрафиолета диагностические окна на ударной трубе были изготовлены из MgF2. При работе в данной спектральной области вакуумный монохроматор откачивался до давления ниже 10-3 Тор с помощью турбомолекулярного насоса ТМН-150 и форваку-умного насоса 2НВР-5ДМ.

АБСОЛЮТНАЯ КАЛИБРОВКА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Для получения количественного значения потока энергии излучения за фронтом ударной волны необходимо определить связь между напряжением, снимаемым с ФЭУ или стрик-камеры, и потоком излучения, падающим на входную щель монохроматора или другого оптического прибора, то есть провести калибровку диагностирующей оптической системы.

Для калибровки системы диагностики, состоящей из спектрометра и стрик-камеры Hamamatsu C5680, в качестве эталонного источника света использовалась лампа СИРШ 8.5-200-1 с вольфрамовой нитью накала, яркостная температура которой при прохождении через нее тока 22.75 А равнялась 3000 К. Источником тока служил блок питания GSV-3000 фирмы Diamond, позволяющий получать ток до 30 А при напряжении до 15 В. Предварительное значение тока выставлялось по стрелочному амперметру типа М104, а для более точного определения тока использовался цифро-

вой вольтметр В7-38, который измерял напряжение на токовом шунте 75ШСМ (при сопротивлении Я = 5 х 10-4 Ом). Для удобства расчетов светового потока вольфрамовая лампа диафрагмировалась щелью, ширина раскрытия которой составляла 2 мм. После прохождения щели световой поток попадал на входную щель спектрометра. Для уменьшения погрешности проводилась калибровка с различной шириной раскрытия щели (размеры входной щели спектрометра варьировались от 0.05 до 0.5 мм) и различными расстояниями от источника до спектрометра. В выходной фокальной плоскости спектрометра находился фотокатод стрик-камеры. Камера работала в режиме постоянной фокусировки, что позволяло не использовать синхронизирующие сигналы для запуска развертки. Полученные экспериментальные данные затем сопоставлялись с расчетным излучением черного тела. Спектральная плотность излучения рассчитывалась по формуле Планка.

Количество излучения на данной длине волны, попадающее на фотокатод стрик-камеры, определялось исходя из соотношения

Интенсивность, отн. ед. м/Дж

Ф =

2п '

100

10

200 300 400 500

600 700 800 Длина волны, нм

где Ф - световой поток, $ - площадь излучающего тела, ^ - телесный угол, под которым видна входная щель спектрометра, кг - коэффициент пропускания колпака лампы, кёГ - коэффициент серости вольфрамовой нити накала. Коэффициент серости вольфрама брался из [4], коэффициент пропускания стеклянного колпака лампы - из сопроводительной документации спектральной лампы.

Использование вольфрамовой лампы в качестве источника излучения позволило откалибро-вать диагностическую систему в диапазоне от 300 до 800 нм. Калибровочная кривая

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком