大氣壓條件下高焓空氣等離子體流場特性及應用

劉麗萍，王一光，王國林，羅杰，馬昊軍

1. 中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000 2. 西北工業大學 超高溫結構復合材料重點實驗室，西安 710072

高超聲速飛行器研制是中國航空航天領域未來長期的戰略目標[1]，其在嚴酷的服役環境中受嚴重的氣動加熱作用，產生的高熱流密度和高溫嚴重威脅著飛行器和人員的安全。為此，必須采用耐高溫的防熱材料對飛行器進行熱防護以滿足飛行試驗的需求[2]。評估和鑒定熱防護系統的防、隔熱性能，需要在能夠模擬飛行氣動熱環境的高焓設備中進行大量地面試驗[3]。過去此類試驗大都在燃燒加熱設備和電弧加熱設備上進行。前者，由于燃燒產物帶來的污染和焓值不高，對于開展熱防護試驗并不理想[4]。后者，由于銅電極的燒損，使得電極燒蝕產物進入工作氣體，從而改變了模型實際表面熱流密度，嚴重影響模擬流場特性[5-6]。因此，進行此類防熱材料使用性能考核試驗的地面設備不僅要能夠模擬實際的再入氣動熱環境，而且還需要模擬流場的實際組分，否則將嚴重影響地面試驗結果[7]。

感應耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma，ICP)設備由于通過電磁感應耦合加熱產生高焓等離子體[8-9]，不存在流場污染的問題，具有流場純凈、運行參數寬(功率、尺寸)、模擬能力強(焓值、熱流)、試驗效率高等特點[10]，被廣泛應用于防熱材料使用性能考核、等離子體光譜診斷、納米粉末制備、陶瓷及金屬粉末噴涂和有毒廢物處理等領域[11]。自1961年Reed首次報道高頻電磁感應耦合加熱等離子體成功運行以來[12]，電磁感應耦合加熱等離子體技術在模擬飛行器的高溫環境和進行再入氣動熱問題研究等應用方面也在不斷發展。20世紀80年代初期，俄羅斯中央機械制造研究院(TSNIIMASH)成功研制了功率高達1 MW的高頻感應耦合加熱風洞[13]。20世紀90年代末期，比利時馮·卡門流體力學實驗室(VKI)成功建設成世界上最大量級(1.2 MW)的高頻感應耦合加熱風洞[14-15]。2014年，中國空氣動力研究與發展中心(CARDC)成功研制1 MW高頻等離子體風洞，并隨即正式投入試驗運行[16]。該類風洞為了保證運行時試驗段壓力等參數不會發生變化，必須要求真空泵抽速與進氣流量匹配，其最大駐點壓力≤30 kPa，遠遠低于電弧風洞的工作壓力，還不能完全滿足高超聲速飛行器防熱材料使用性能(氧化、催化、輻射)和再入目標光電特性研究需求。

為進一步提升感應耦合等離子體設備模擬能力，法國宇航中心和美國斯坦福大學分別在1個大氣壓流動條件下，成功研制了30 kW[17]和50 kW[18]量級的感應耦合放電等離子體射流設備(AtmosPheric Plasma Jet，APPJ)，極大地拓展了設備的工作壓力。與傳統的感應耦合等離子體風洞相比較，APPJ的最大優勢在于采用強壓氣流將通過感應線圈加熱的高溫等離子體(≥6 000 K)“吹”出放電腔(石英管)，直接噴射到大氣環境中，這更有利于試驗者開展材料考核試驗和流場光譜特性研究，具有易操作、低成本、高壓力等特點，極大地豐富了感應耦合等離子體設備體系，較大地提高了感應耦合等離子體設備試驗能力。

為此，本文研究依托國內現有的高頻感應耦合等離子體設備的設計能力和制造水平，成功研制了100 kW量級用于氣體(空氣、氮氣、氬氣和二氧化碳等)加熱的大氣壓感應耦合放電等離子體射流設備，開展了其空氣等離子體射流流場特性(焓值、熱流、光譜)研究，并同時進行了典型防熱材料(C/SiC)燒蝕氧化考核試驗。為進一步實現熱防護系統的精細化設計，有效改進新型防熱材料使用性能提供了技術支撐。

1 大氣壓感應耦合等離子體設備

100 kW大氣壓高頻感應加熱等離子體設備主要由高頻電源、等離子體炬、噴管以及其他輔助系統等組成。等離子體炬使用高頻電源供給的高頻電流，通過感應線圈產生的電磁場與石英管中氣體的離子相互作用，當石英管中的氣體被擊穿(點火)能夠導電的情況下，條件適當時，點火過程將能維持下去，并不斷使得送入石英管的冷工作氣體被加熱成為等離子體，經過噴管進入大氣中形成高焓等離子體射流。由于沒有流場污染問題，特別適合于要求等離子體非常干凈的各種場合的應用，是開展飛行器防熱材料使用性能和再入目標光電特性研究的理想設備。

100 kW大氣壓感應耦合等離子體設備的高頻電源實質上是一個大功率高頻逆變器，通過變壓-整流-振蕩，將線電壓為380 V、頻率為50 Hz的工頻交流電轉換為高頻電流(頻率f=9.46 MHz)，并通過感應線圈和工作氣體的電磁耦合實現加熱氣體的目的。其中，大功率高頻逆變器名義上能夠線性輸出到電子管振蕩器上的功率為100 kW，最大陽壓為9 kV，最大陽流為11 A，設備實際運行中測量輸出的最大功率為85.5 kW。

100 kW大氣壓感應耦合等離子體設備的等離子體炬示意圖如圖1所示，在放電管(直徑為80 mm，厚度為3 mm)外套一個5匝的通過水冷銅管(直徑為10 mm，壁厚1 mm)繞制的感應線圈(直徑為90 mm，長度為125 mm)。放電管由石英組成，該材料具有很好的熱絕緣性能和相對較高的電磁透過性。銅制感應線圈必須通去離子水冷卻以保證不引起匝間電弧放電。

100 kW感應耦合等離子體設備的工作氣體可以是不同種類型的氣體(空氣、氧氣、氬氣、氫氣、氦氣等)，氣體的質量流量采用獨立的流量計監控和測量。由于氬氣在較低能量下比空氣更容易被電離，因此，試驗點火過程中先采用氬氣起弧(點火)，當氬氣等離子體穩定后，逐步過渡到純空氣等離子體(見圖2)。其中，工作氣體通過等離子體炬尾部的進氣裝置，采用軸向和60°切向的進氣方式進入石英管，進氣比例為2∶1，這樣極大地提高了等離子體炬效率，保護石英管不會因為過熱而破裂，確保設備能夠長時間(≥1 000 s)安全運行。

圖1 等離子體炬示意圖Fig.1 Schematic diagram of plasma torch

圖2 大氣壓空氣等離子體Fig.2 Atmospheric air plasma

2 大氣壓空氣等離子體流場診斷

在復雜的空氣等離子體流場診斷中，需要明確的參數主要包括駐點壓力p、密度ρ、溫度T、焓值H0、速度U、氧原子濃度cO和氮原子濃度cN7個參數[19-20]，其中的難點是確定氧原子和氮原子的濃度。高焓流場參數可以通過下列關系式得出，即

(1)

H0=cpT+id

(2)

(3)

式中：R為通用氣體常數；id、cp和cpk分別為原子總生成焓、總定壓比熱和組元定壓比熱；M和Mk

為了更有效地確定流場參數，需要通過試驗測試(測量完全催化熱流q和駐點壓力p)，并結合空氣等離子體數值模擬代碼[9]確定其他參數。流場參數確定基本過程為：將射流靜壓、氣體流量、電源功率和設備效率輸入到空氣流場計算代碼中，以設備加熱效率為調節參數，當計算獲得的射流動壓、駐點熱流與測量結果的最大偏差均小于1%時，結束計算，輸出總焓、溫度、壓力、密度、速度、氮原子濃度和氧原子濃度。完全催化熱流q通過?20 mm柱塞量熱計測量，通過與戈登計比較確定的最大偏差為4.66%，駐點壓力p采用?20 mm的平頭皮托壓力探頭測量。

按照上述流場診斷方法，表1給出陽壓Va=8 kV，陽流Ia=8.7 A，氣體流量m=3 g/s試驗狀態下亞聲速噴管(?30 mm)出口駐點流場參數結果(cO2=0)，圖3給出了通過數值模擬獲得的噴管出口組元濃度沿徑向(r)的分布曲線。在空氣進氣流量m=3 g/s時，圖4給出了不同陽壓(Va=5，6，7，8，9 kV)條件下噴管出口流場電子溫度(Te)沿流場徑向的分布曲線，從圖中可以看出，在相同氣體流量條件下，電子溫度隨著電源陽壓的增加而增大，最高可到7 000 K左右。

表1 流場計算結果Table 1 Computation results of flow field

圖3 組元濃度沿噴管徑向分布Fig.3 Distribution of component concentrations along radial direction of nozzle

圖4 不同陽壓下電子溫度沿噴管徑向分布Fig.4 Distribution of electron temperature along radial direction of nozzle at different anode voltages

3 結果與討論

3.1 設備運行能力

為了確定大氣壓感應耦合等離子體設備試驗運行能力，必須確定輸入到電子管逆變器上的直流電壓(Va)和通過進氣裝置進入等離子體炬的工作氣體流量(m)的匹配關系，因為設備等離子體射流狀態最終都是由這兩個關鍵參數確定的。

調試過程中選用空氣作為工作氣體，設備運行包絡線如圖5所示。其中，黑色的數據點表示真實的試驗測試狀態，灰色區域表示設備能夠達到的穩定運行狀態參數。從圖中可知，設備陽壓范圍：5～9 kV，功率范圍：27～85.5 kW，工作氣體流量范圍：1～6 g/s。如表2所示，通過與國際上最具代表性的大氣壓感應耦合放電等離子體射流設備——美國斯坦福大學50 kW[21]量級的LEPEL Model T-50-3設備參數比較，表明該100 kW 量級的大氣壓感應耦合等離子體設備達到國際先進水平，完全具備開展高超聲速飛行器防熱材料性能改進地面模擬試驗的能力。

圖5 設備運行包絡圖Fig.5 Operational envelope of facility

表2 同類設備工作參數比較

Table 2 Comparison of operating conditions ofsimilar facility

ParameterValueCARDCStanford UniversityMaximum anode voltage/kV912Maximum anode current/A117.5Maximum power/kW8564Working frequency/MHz9.464Nozzle diameter/mm305070Gas flow/(g·s-1)1221.4Maximum enthalpy/(MJ·kg-1)20.822.219.916.3Electron temperature/K6 5706 6906 5506 220Freestream pressure/Pa101 325101 325Working gasAirAir

3.2 流場關鍵氣動熱參數

圖6(a)給出了?30 mm亞聲速噴管出口8 mm 的空氣等離子體總焓與進氣流量、電子管陽壓的表征關系。從圖中可以看出，在相同陽極輸入功率情況下，總焓隨著氣體流量的增加單調減小。在相同氣體流量情況下，總焓隨著陽極電壓的增加而增大，流場的焓值范圍為8.54～22.2 MJ/kg。同時，圖6(b)給出了設備效率(ε)與進氣流量、電子管陽壓的表征關系。從圖中可以看出，設備效率隨著進氣流量的增加而減小，最高效率可到60%～75%，最低效率低至20%。

圖6 總焓、設備效率和駐點熱流隨流量、陽壓的變化Fig.6 Variation of total enthalpy, facility efficiency and stagnation point heat flux with gas flow rate and anode voltage

采用?20 mm柱塞量熱計測量距離?30 mm亞聲速噴管出口8 mm的駐點熱流，圖6(c)給出了駐點熱流隨氣體流量、電子管陽壓的變化關系。從圖中可知，對于任意陽壓條件下(5 kV≤Va≤9 kV)， 駐點熱流都是隨著氣體流量的增大先增加到峰值再逐漸減小。在相同氣體流量情況下，駐點熱流隨著陽極電壓的增加而增大，流場駐點熱流范圍：176～721 W/cm2。

從圖6可知，在相同氣體流量條件下，總焓和熱流都是隨著陽壓的增加而增大，但設備耦合效率卻是隨著陽壓的增加先增大再減小。其主要的原因是：設備耦合效率除了與等離子體炬的幾何尺寸、工作頻率、工作氣體種類和工作壓力有關以外，決定其效率高低的最主要的參數是陽壓(Va)和氣體流量(m)的匹配關系。對于任意給定的陽壓(5 kV≤Va≤9 kV)，都存在一個與之能夠匹配的最大、最小和最適合的空氣流量。當進氣流量超過最大值時，高頻電源就不能夠提供足夠的能量以滿足該工作氣體被電離形成穩定的等離子體。當空氣流量低于該最小值時，此時感應耦合線圈與工作氣體耦合效率最低，等離子體只吸收了小部分高頻電源提供的能量，剩余的能量將會導致石英管及其附屬部件受熱燒損。因此，當進氣流量等于最適合流量的時候，該設備的電感耦合效率才能達到最高，此時熱流也最高。

3.3 流場發射光譜特性

采用MS520光柵光譜儀(分辨率：0.028 nm，波長范圍：185 nm～60 μm)對距離?30 mm亞聲速噴管出口8 mm處的空氣等離子體展開測量，得到了300～900 nm波長范圍內發射光譜隨波長(λ)的分布(圖7)。從圖中可以看出，O原子譜線在777.2、844.6 nm處達到峰值10 500 a.u.，N原 子譜線在746.8、821.6、868.1 nm處有較強的發射譜峰，相對強度最大為9 750 a.u.。

為了進一步獲得流場徑向光譜發射強度分布，分別測量了8 mm處流場截面(到噴管對稱軸線的垂直距離分別為1、3、5、7、9、11、13 mm)的輻射亮度。 經過黑體輻射強度標定和Abel逆變換之后，可以得到不同波長下不同半徑處單位面積和單位體積的發射強度。以波長821.65 nm處的輻射譜線為例，通過黑體標定后的結果和Abel 逆變換的結果如圖8所示。

對于熱力學平衡或局部熱力學平衡條件下的空氣等離子體，可以采用原子發射光譜雙譜線測溫技術[22]測量獲得等離子體溫度。由于100 kW感應加熱設備的等離子體流場是熱等離子體，溫度接近7 000 K，在一個大氣壓條件下，氣體速度較慢，粒子間碰撞充分，可以近似為熱力學平衡狀態。所以運用雙譜線測溫法得到的電子溫度Te可以近似認為是空氣等離子體溫度T。為此，采用三對譜線(821.646 nm/862.924 nm、821.646 nm/868.028 nm、862.924 nm/868.028 nm)進行等離子體溫度測量，獲得了電子溫度Te的徑向分布，如圖9所示。從該圖中可以看出，將空氣等離子體數值模擬代碼[9]計算確定的電子溫度(黑實線)與雙譜線測溫結果相比，盡管有一定的偏差，但總體上符合得較好。

圖7 空氣等離子體的發射光譜Fig.7 Emission spectra of air plasma

圖8 λ=821.65 nm處單位波長發射強度Fig.8 Emission intensity of unit wavelength with λ=821.65 nm

圖9 電子溫度沿噴管徑向分布的比較Fig.9 Comparison of distribution of electron temperature along radial direction of nozzle

3.4 C/SiC氧化燒蝕試驗

在100 kW量級的大氣壓感應耦合等離子體設備上選取駐點壓力相同(p=101 325 Pa)、熱流不同(q=423，547 W/cm2)的2個試驗狀態，對C/SiC復合材料進行氧化燒蝕試驗研究，詳細試驗狀態參數見表3，并將在不同試驗狀態下的兩個試樣命名為S-1和S-2。從表3中可以發現，在相對較低熱流密度條件下，試樣(S-1)表面溫度比較平穩，并沒有發生溫度躍升現象。而在相對較高熱流密度條件下，試樣(S-2)表面溫度穩定一段時間后，突然出現了表面躍升近600 ℃的試驗現象。圖10給出了試樣C/SiC氧化燒蝕試驗過程照片。圖11給出了試樣(S-1、S-2)表面溫度隨燒蝕時間變化的曲線。從圖中可知，S-1在氧化燒蝕開始約20 s后，表面溫度基本達到穩定。經過燒蝕時間800 s后，表面溫度也未發生溫度躍升現象，始終維持在1 811 ℃。而S-2表面溫度在大約30 s后趨于穩定，穩定溫度為1 852 ℃，直至582 s，表面溫度在幾秒鐘內突然躍升至大約2 400 ℃。從燒蝕后的宏觀形貌(圖12)中可以發現，S-1形狀比較完整，無纖維裸露現象發生。在試樣頭部可以發現一層淺灰色物質存在，這種淺灰色物質可能是C/SiC 試樣燒蝕過程中產生的熔融態氧化物SiO2。而S-2燒蝕后表面出現明顯的C纖維裸露現象，試樣的結構完整性遭到破壞，試樣已經失效。

表3 C/SiC氧化燒蝕試驗參數Table 3 Parameters for C/SiC ablative oxidation tests

圖10 C/SiC試樣氧化燒蝕試驗照片Fig.10 Photos of ablative oxidation test of C/SiC

圖11 C/SiC試樣表面溫度隨時間的變化Fig.11 Temperature on C/SiC sample surface vs time

C/SiC氧化燒蝕試驗過程中不僅存在著原子氧與表面SiC薄層(～100 μm)反應生成SiO2層的過程，同時存在著原子氧對SiO2層消減的反應。對于S-1而言，在較低熱流密度試驗狀態(q= 423 W/cm2)下，由于試樣表面原子氧對SiO2層的消減速度小于SiO2的生成速度，所以，試樣表面一直存在著一定厚度的SiO2層。試樣表面微觀形貌保持不變，表面溫度始終維持在1 811 ℃ 。當燒蝕條件逐漸變高時(q=423 W/cm2→q=547 W/cm2)， S-2表面溫度會升高(1 811 ℃ →1 852 ℃)。 此時，表面原子氧對SiO2層的消減速度大于SiO2層的生成速度，試樣表面就沒有SiO2層的存在，試樣表面SiC層開始出現快速消耗，當SiC層耗盡后，試樣表面出現纖維裸露現象。此時試樣表面微觀物質發生了變化(SiO2→C纖維)，試樣表面催化系數也隨之上升，試樣從高焓等離子體中得到的能量也隨之增加，與此同時，裸露的碳纖維在等離子體中燃燒放熱(C(s)+ O→CO，C(s)+ N→CN)，二者共同使得S-2表面溫度在幾秒鐘內突然躍升至大約2 400 ℃。

圖12 試樣燒蝕后的表面宏觀形貌Fig.12 Macroscopic images of test samples after ablation

4 結 論

通過開展100 kW大氣壓感應耦合等離子體設備研制工作，基于高焓空氣等離子體流場診斷，重點研究了空氣等離子體特性(熱流、焓值、發射光譜等)，并開展了典型防熱材料(C/SiC)氧化燒蝕性能考核，得到以下結論：

1) 建立起了100 kW量級大氣壓條件下感應耦合等離子體設備。該設備采用電感耦合加熱氣體方式工作，工作頻率為9.46 MHz,最大輸出功率為85.5 kW，可使用的工作氣體有空氣、氮氣、氬氣、二氧化碳等，氣體流量范圍為1～6 g/s。

2) 基于大氣壓空氣等離子體流場診斷方法，確定了空氣等離子體射流焓值范圍為8.54～22.2 MJ/kg， 駐點熱流范圍為176～721 W/cm2，設備效率范圍為17.5%～77.9%，最大噴管出口氣體溫度為7 000 K左右，通過國內外同類設備比較，表明該設備模擬能力(功率、焓值、熱流、效率)達到國際先進水平。

3) 選定2個典型試驗狀態(熱流為423、547 W/cm2)， 對C/SiC復合材料進行氧化燒蝕試驗研究。試驗結果表明，C/SiC復合材料在大氣壓條件下使用溫度極限為1 850 ℃左右，材料表面催化效應和C、N原子在碳纖維表面的燃燒放熱反應共同使得表面溫度突然躍升至2 400 ℃，最后導致試樣失效。