Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2022, № 6, стр. 85-93

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Исследование излучения воздуха за сильной ударной волной проводилось на модернизированной двухдиафрагменной ударной трубе (DDST-M) Института механики МГУ, имеющей цилиндрическую форму с внутренним диаметром 5 см. Инициирование ударной волны осуществлялось за счет воспламенения в камере высокого давления стехиометрической смеси кислорода с водородом, разбавленной гелием. Модернизация ударной установки заключалась во включении в ее конструкцию дополнительного элемента – форкамеры, которая отделяет торцевую стенку трубы с поджигающим устройством от основного объема камеры высокого давления перфорированным диском. Подобная конструкция позволяет увеличить энергоэффективность установки за счет более полного сгорания горючей смеси в камере высокого давления и достичь скорость ударной волны в воздухе, равную 11.4 км/с при начальном давлении газа перед ударной волной 0.25 Торр. При этом наблюдается практически полная повторяемость результатов эксперимента. Схема установки и более подробное описание ее принципа действия приведены в [13].

Система регистрации на ударной трубе DDST-M позволяет измерять излучательные характеристики ударно нагретого газа, проходящего мимо двух измерительных сечений трубы. Первый измерительный канал, регистрирующий интегральную по времени плотность излучения газа (панорамный спектр) в UV/VIS спектральном диапазоне (λ = 190–670 нм), включает спектрограф Horiba 1824 и линейный CDD-детектор Hamamatsu S11156. Канал, регистрирующий во втором измерительном сечении временную эволюцию излучения в трех специально выделенных с помощью монохроматоров узких спектральных диапазонах, собран на базе двух спектрографов Horiba 1061 и спектрографа B&M50, которые фиксируют осциллограммы излучения на ФЭУ R446 Hamamatsu и ФЭУ R4420 Hamamatsu соответственно. Пространственное разрешение оптической схемы регистрации временной эволюции составляет 0.53 мм, что соответствует временному разрешению 53 нс при скорости ударной волны V_SW = 10 км/с. С учетом временного разрешения электрической схемы регистрации на нагрузочном сопротивлении на ФЭУ, равном 50 Ом, временное разрешение не превышает 70 нс.

Для получения спектральных характеристик излучения в абсолютных энергетических единицах (Дж/м²/мкм/ср) проводится предварительная калибровка измерительной системы. Процедура калибровки состоит в сравнении излучения ударно нагретого газа с излучением эталона (вольфрамовых и дейтериевых ламп). Для сравнения результатов, полученных на ударных трубах разного диаметра, получаемое значение энергетической яркости нужно разделить на диаметр ударной трубы. Таким образом, экспериментальные результаты по излучению ударно нагретого газа представляются в виде объемной плотности энергии излучения I_λ в единицах Дж/м³/мкм/ср. Более подробно процедура калибровки системы регистрации приведена в [14].

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Измерение интегральных и временных спектральных характеристик ударно нагретого воздуха проводилось в интервале скоростей ударной волны от 7.5 до 11.4 км/с при давлении перед фронтом ударной волны p₀ = 0.25 Торр. Исследована спектральная область λ = 190–670 нм, в которой основной вклад в излучение дают молекулярные полосы молекул N₂ и NO, радикалов CN и молекулярных ионов ${\text{N}}_{2}^{ + }$. Анализ интегральных и временных спектральных характеристик позволяет выделить закономерности излучения ударно нагретого воздуха на различных участках движения спускаемого космического аппарата в атмосфере Земли.

Типичная спектрограмма интегрального излучения воздуха, полученная при скорости ударной волны V_SW = 10 км/с, приведена на рис. 1. Видно, что в спектральном диапазоне λ = 190–300 нм регистрируется в основном излучение системы полос β, γ и δ молекулы NO, которая образуется в результате переходов B²Π → X²Π, A²Π → X²Π и C²Π → X²Π соответственно [9]. Незначительный вклад в излучение в этом диапазоне может вносить система Шумана-Рунге молекулярного кислорода, возникающая за счет электронного перехода В³$\Sigma _{u}^{ - }$ → X³$\Sigma _{g}^{ - }$ [12]^–. В интервале длин волн λ = 275–400 нм наблюдается вторая положительная система полос молекулы азота N₂(2+), описываемая переходом C³Π_u → B³Π_g [8]. Этот интервал частично перекрывается достаточно интенсивной системой полос молекулярного иона ${\text{N}}_{2}^{ + }$ (первая отрицательная система, λ = 300–500 нм), образующейся в результате электронного перехода В²$\Sigma _{u}^{ + }$ → X²$\Sigma _{g}^{{ + - }}$.

Рис. 1.

Панорамный спектр излучения ударно нагретого воздуха при начальном давлении p₀ = 0.25 Торр и скорости ударной волны V_SW = 10 км/с.

На спектрограмме, показанной на рис. 1, приведен также ряд дополнительных полос, связанных с присутствием в исследуемом воздухе различных примесей и, в частности, углекислого газа. В первую очередь это относится к фиолетовой системе полос цианистого радикала CN (λ = 330–425 нм), которая формируется в электронном переходе Β²Σ⁺→ Χ²Σ⁺ [15], и атомарным линиям углерода. Наблюдаются линии излучения радикала ОН (λ = 307–317 нм) и атома водорода (H_α и H_β), которые хорошо контролируют содержание в исследуемом воздухе паров воды. На спектрограмме присутствуют также линии Na (λ = 589 нм), ионов Ca (λ = 393 и 397 нм) и C (λ = 193 и 248 нм). Излучение линий натрия обусловлено присутствуем солей натрия в воздухе, которые адсорбируются на стенках ударной трубы во время ее открытия при замене диафрагм. Для ионов кальция излучение связано, скорее всего, с люминесценцией кварцевого стекла окон наблюдения под действием сильного излучения в области вакуумного ультрафиолета. Линии углерода проявляются в спектре из-за присутствия углерод содержащих примесей в воздухе (например, CO₂). Иногда появляющееся излучение линий меди на длинах волн 325 и 327 нм вызвано использованием медных диафрагм.

Для перехода в панорамном спектре от объемной плотности энергии излучения J_λ к объемной мощности излучения B_λ, обычно измеряемой в единицах Вт/(см³/мкм/ср), необходимо приведенные выше спектральные данные разделить на эффективное время излучения Δτ (мкс) в каждом узком диапазоне спектра. Данная процедура требует информации по временным характеристикам излучения отдельных спектральных линий. Алгоритм определения Δτ состоит в замене временной осциллограммы излучения, регистрируемой на определенной длине волны, на равный ей по площади прямоугольник, высота которого равна максимальному значению мощности излучения на осциллограмме. Ширина прямоугольника и принимается равной эффективному времени излучения Δτ на данной длине волны [16]. Таким образом, совместное использование данных панорамного спектра с результатами временных исследований может дать правильную информацию об объемной мощности излучения B_λ различных спектральных полос.

Временная зависимость интенсивности излучения на длинах волн: λ = 213, 391 и 420 нм для спектрального интервала Δλ = 4 нм приведена на рис. 2. Излучение на длине волны 213 нм входит в спектральную систему полос молекулы NO. Излучение на длинах волн 391 и 420 нм принадлежит первой отрицательной системе полос молекулярного иона N₂. Как видно из рисунка, линия излучения NO характеризуется резким всплеском излучения в интервале времени t от нуля до 0.25 мкс, что связано с неравновесностью протекания процесса. Далее излучение переходит в равновесную стадию с последующим быстрым затуханием интенсивности к моменту t = 2.5 мкс. Излучение двух линий системы ${\text{N}}_{2}^{ + }$(1–) имеет несколько иной характер. Неравновесная зона растянута во времени до момента t = 2.0 мкс, а равновесная зона не имеет четко выраженного характера, представляя собой плавно затухающую интенсивность излучения до момента t = 8 мкс. Обе спектральные кривые примерно повторяют друг друга, но пик интенсивности у линии λ = = 391 нм примерно вдвое больше, чем у линии λ = 420 нм.

Рис. 2.

Эволюция интенсивности излучения на длинах волн λ = 213, 391и 420 нм в ударно- нагретом воздухе при p₀ = 0.25 Торр, V_SW = 10 км/с и ширине спектрального интервала Δλ = 4 нм.

Поведение временных спектральных характеристик ударно нагретого воздуха зависит не только от длины волны излучения, но и от скорости распространения ударной волны. На рис. 3 показано изменение интенсивности излучения линии λ = 213 нм молекулы NO при различных значениях величины V_SW. Анализ приведенных данных показывает, что при низких скоростях ударной волны излучение характеризуется четко выраженными неравновесной и равновесной зонами. При V_SW = 10.9 км/с величина интенсивности излучения в равновесной зоне начинает приближаться к пиковой интенсивности неравновесной зоны, и при V_SW = 11.4 км/с интенсивность неравновесного излучения становится меньше равновесного.

Рис. 3.

Временная зависимость интенсивности излучения на длине волны λ = 213 нм молекулы NO в ударно-нагретом воздухе при p₀ = 0.25 Торр и различных значениях скорости ударной волны V_SW и ширине спектрального интервала Δλ = 4 нм.

Данные по временным спектральным характеристикам позволяют вычислить эффективное время излучения Δτ на выделенных длинах волн излучения λ с помощью процедуры, описанной выше. На рис. 4 приведена зависимость времени Δτ от скорости ударной волны V_SW для различных значений длины волны λ. Видно, что величина Δτ увеличивается с ростом V_SW для всех длин волн. При скоростях V_SW ≥ 11 км/с эффективное время излучения на длине волны λ = 213 нм начинает уменьшаться. Это может быть объяснено сокращением длительности светящейся области за ударной волной, как это показано на рис. 3. Зависимость эффективного времени излучения Δτ от длины волны λ показана на рис. 5. Анализ приведенных данных показывает, что Δτ растет с увеличением λ, достигая максимума при значениях λ порядка 650 нм.

Рис. 4.

Зависимость эффективного времени излучения различных спектральных линий от скорости ударной волны.

Рис. 5.

Зависимость эффективного времени излучения от длины волны при p₀ = 0.20–0.25 Торр и V_SW = 10 км/с.

Зависимость панорамного спектра ударно нагретого воздуха от скорости ударной волны V_SW в рассматриваемом диапазоне длин волн приведена на рис. 6. Пересчет с объемной плотности энергии излучения I_λ к объемной мощности излучения B_λ осуществлялся с использованием значений эффективного времени излучения Δτ для длины волны λ = 213 нм, взятых из рис. 4. Наблюдается увеличение интенсивности излучения с ростом V_SW. При скоростях ударной волны выше 10 км/с это увеличение замедляется, что связано с диссоциацией молекул при повышении температуры исследуемого газа за фронтом ударной волны. Основную роль в излучении ударно нагретого воздуха начинают играть атомы азота и кислорода, эмиссионные линии которых лежат в основном в спектральной области вакуумного ультрафиолета (переходы в основное состояние) и инфракрасном диапазоне.

Рис. 6.

Панорамный спектр излучения ударно нагретого воздуха при начальном давлении p₀ = 0.25 Торр и различных скоростях ударной волны V_SW = 9.1 (а); 10.0 (б) и 10.8 (в) км/с.

Изучение радиационных характеристик ударно нагретого воздуха применительно к условиям входа космических аппаратов в атмосферу Земли с орбитальными и сверхорбитальными скоростями проводилось ранее с использованием различных ударных установок. К ним в первую очередь относятся электроразрядная установка EAST, эксплуатируемая в Исследовательском центре NASA Ames (США) [17], поршневая ударная установка T6 Stalker, являющаяся результатом совместной работы Оксфордского университета и Центра гиперзвуковых исследований Университета Квинсленда [18], а также крупномасштабный ударный туннель LENS XX, функционирующий в Исследовательском центре CUBRC (Буффало, США) [19]. В связи с этим представляется интересным сравнение результатов измерения спектральных характеристик воздуха, полученных на ударной трубе DDST-M, с результатами исследований на этих установках.

Результаты, полученные на зарубежных установках [17–19], достаточно хорошо согласуются между собой, так как методика регистрации излучения на них одинакова (так называемая 2D-cпектроскопия изображения) [20]. Для сравнения были выбраны результаты с установки EAST, как наиболее полно представленные в виде базы первичных экспериментальных данных [21]. На рис. 7 показаны панорамные спектры ударно нагретого воздуха, полученные на установке EAST для скорости 10 км/с и начального давления 0.2 Торр и наши результаты для той же скорости и начального давления 0.25 Торр. Равновесные интенсивности излучения на установке EAST (черная линия) получены из базы экспериментальных данных [21] и совпадают с данными работ [17–19, 22, 23]. На рисунке представлены также данные из работ [21, 23] для суммарного излучения, полученного из неравновесной и равновесной зон на установке EAST (красная линия).

Рис. 7.

Сравнение панорамных спектров излучения воздуха, полученных на ударной трубе DDST-M при p₀ = = 0.25 Торр и V_SW = 10.0 км/с и ударной установке EAST при p₀ = 0.2 Торр и V_SW = 10 км/с [21]. Данные EAST пересчитаны для равновесной (черная линия) и суммы равновесной и неравновесной областей излучения (красная линия)..

Анализ данных, приведенных на рис. 7, показывает, что все спектрограммы в общих чертах повторяют друг друга. Данные настоящей работы лежат несколько выше суммарного излучения, полученного на установке EAST. Различие обусловлено в основном тем, что при обработке наших экспериментов используется минимальное нормированное время (см. рис. 5) в диапазоне λ = 200–670 нм, которое характерно для диапазона λ = 200–300 нм. Для других длин волн это время может быть в несколько раз больше. Поэтому полученные в наших экспериментах интенсивности должны быть во столько же раз меньше. Наибольшее различие наблюдается в области спектра λ = 370–420 нм, где большую роль играет излучение радикала CN, концентрация которого сильно зависит от содержания в исследуемом воздухе CO₂. Также существенную роль играет абсорбция углеводородов на стенках ударной трубы. В экспериментах на установке EAST для удаления со стенок трубы углеродсодержащих примесей используется источник кислородной плазмы, что существенно уменьшает уровень излучения циана [22].

В экспериментах на установках EAST, T6 и LENS XX, как правило, фиксируется излучение из равновесной зоны ударной волны [17–19]. Равновесная зона выбирается за фронтом ударной волны, где интенсивность излучения практически не меняется. В наших экспериментах из всей излучающей зоны (неравновесной и равновесной) CCD приемник накапливает (суммирует) излучение на каждой длине волны (пикселе). В работе [23] приводятся отдельно спектры из неравновесной зоны, но там вводится понятие неравновесной метрики, которая усредняет спектральное распределение излучения в зоне ±2 см от максимальной интенсивности за фронтом ударной волны. Такие значения существенно ниже неравновесных значений интенсивности излучения, получаемых при обработке только пиковых интенсивностей из базы данных [21]. Введение понятия неравновесной метрики в [23] связано с необходимостью получения информации, имеющей наименьшую ошибку при обработке экспериментов, для построения моделей неравновесного излучения [24].

Необходимо также отметить, что в экспериментах на EAST время экспозиции изображения на спектрометрах составляет 0.25–0.5 мкс. Поэтому неравновесная зона в них не ярко выражена. В наших экспериментах длительность неравновесной зоны может быть меньше 0.1 мкс по уровню 0.5. В большинстве спектрограмм, полученных на установке EAST, за ударной волной присутствует сильно светящаяся область толкающего газа. Излучение в равновесной зоне в большинстве случаев имеет тенденцию к возрастанию. Авторы объясняют такое поведение со значительным замедлением ударной волны, которое может составлять до 10% на 1.5 м перед измерительным окном [22].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных измерений показывают, в исследованном спектральном диапазоне (λ = 190–670 нм) регистрируется в основном излучение системы полос β, γ и δ молекулы NO, второй положительной системы полос молекулы N₂ и первой отрицательной системы полос молекулярного иона N$_{2}^{ + }$.

Поведение временных спектральных характеристик зависит не только от длины волны излучения, но и от скорости распространения ударной волны. Временные спектральные характеристики позволили вычислить эффективное время излучения Δτ на выделенных длинах волн излучения, которые используются для пересчета данных панорамного спектра с объемной плотности энергии излучения I_λ к объемной мощности излучения B_λ.

Сравнение измеренного панорамного спектра ударно нагретого воздуха при V_SW = 10.0 км/с и p₀ = 0.25 Торр с экспериментальными данными, полученными при тех же условиях на других ударных установках, показывает, что все спектрограммы в общих чертах повторяют друг друга. Данные настоящей работы лежат несколько выше результатов других измерений. Это может быть объяснено различными методиками определения средней мощности излучения при обработке полученных экспериментальных данных, а также тем, что в экспериментах на других установках, как правило, приводятся спектры из равновесной зоны.