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新型激光仪器可推进研究航天器和飞机绿色燃料的研究

作者:长三角G60激光联盟

长三角G60激光联盟导读

据悉,研究人员开发了一种使用超快激光精确测量氢的温度和浓度的分析仪器。他们的新方法可以帮助推进用于航天器和飞机的更绿色的氢基燃料的研究。

新型激光仪器可推进研究航天器和飞机绿色燃料的研究

研究人员开发了一种分析仪器,使用超快激光精确测量氢的温度和浓度。他们用它来研究这里的氢火焰。

瑞典Luleå科技大学的研究团队负责人Alexis Bohlin说:“这台仪器将提供强大的能力来探测诸如扩散、混合、能量转移和化学反应等动力学过程。了解这些过程是开发更环保的推进发动机的基础。”

在Optica出版集团的期刊《光学快报》上,Bohlin和来自荷兰Delft 理工大学和 Vrije Universiteit Amsterdam的同事描述了他们用于研究氢的新相干拉曼光谱仪器。它之所以成为可能,是因为有一种装置可以将短(飞秒)脉冲的激光的宽带光转换为极短的超连续脉冲,其中包含广泛的波长范围。

新型激光仪器可推进研究航天器和飞机绿色燃料的研究

(a)共振(左)和非共振(右)CRS路径的能量和费曼图。(b)共振(蓝线)和非共振(红线)CRS信号的极化角β和γ,表示为单位球体上的仰角,作为泵/斯托克斯和探测场的相对极化角(方位角)α的函数。(c)偏振敏感相干成像光谱仪示意图。

研究人员证明,这种超连续体的产生可以在研究氢发动机的高压室中发现的同样类型的厚光学窗后进行。这一点很重要,因为当这些类型的光学窗口存在时,其他产生超宽带激励的方法就不起作用了。

Bohlin说:“当从可再生资源中提取富氢燃料时,可以对减少排放产生巨大影响,并对缓解人为气候变化做出重大贡献。我们的新方法可以用于在与火箭和航空航天发动机非常相似的条件下研究这些燃料。”

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(a)超宽带NR CRS光谱在室温氩气中获得(红色曲线),并在火焰前沿的不同测量位置获得(黑色曲线)。每条曲线代表1200个单激发光谱的平均值。(b)通过层流H2/空气扩散火焰的火焰前沿获得的单次纯旋转H2 CRS光谱。在sCMOS检测器的动态范围内同时检测到多达六条旋转线。

让光进来

人们对开发使用可再生富氢燃料的航空发动机非常感兴趣。除了它们的可持续性吸引力之外,这些燃料还具有最高的可实现比冲量——衡量发动机中化学反应产生推力的效率。然而,使基于氢的化学推进系统可靠一直是非常具有挑战性的。这是因为富氢燃料的反应性的增加实质上改变了燃料混合物的燃烧特性,这增加了火焰温度并减少了点火延迟时间。此外,火箭发动机中的燃烧通常很难控制,因为在太空旅行时会遇到极高的压力和高温。

“可持续发射和航空航天推进系统的技术进步依赖于实验和建模之间的连贯互动。”Bohlin说,“然而,在为验证模型生成可靠的定量数据方面,仍然存在一些挑战。”

新型激光仪器可推进研究航天器和飞机绿色燃料的研究

(a)同时CRS测量整个火焰前沿(喷嘴上方1mm)的温度和相对H2/N2浓度。黑框表示H2优先扩散的感兴趣区域。(a) H2浓度从y时的50%显著降低 = 0 mm至y处的40% = 在几乎恒定的温度分布面上测量3.5mm的厚度,并因此归因于优先扩散。

其中一个障碍是,实验通常在封闭空间中进行,通过光学窗口进出的光信号传输有限。这一窗口会导致相干拉曼光谱所需的超连续谱脉冲在穿过玻璃时被拉长。为了克服这个问题,研究人员开发了一种方法,通过厚光学窗口传输飞秒脉冲激光,然后使用一种称为激光诱导成丝的过程,将其转换为在另一侧保持相干的超连续谱脉冲。

研究氢火焰

为了演示这种新仪器,研究人员建立了一种飞秒激光束,具有产生超连续谱的理想特性。然后,他们用它通过激发氢分子并测量其旋转跃迁来进行相干拉曼光谱分析。他们能够在广泛的温度和浓度范围内对氢气进行可靠的测量,并分析了氢/空气扩散火焰,类似于燃烧富氢燃料时所看到的火焰。

研究人员现在正在使用他们的仪器对湍流氢火焰进行详细分析,希望对燃烧过程有新的发现。为了采用这种方法来研究和测试火箭发动机,科学家们正在探索这种技术的局限性,并希望在封闭的微压外壳中用氢火焰进行测试。

新型激光仪器可推进研究航天器和飞机绿色燃料的研究

图5 (a)在y = 6 mm处火焰中获得的单次实验H2 CRS谱(实线),以氩气中原位获得的NR CRS谱(虚线)为参考,并与时域H2 CRS模型(虚线)进行比较,以拟合Boltzmann分布。(b)以现场同时获取的NR CRS光谱为参考,拟合H2 CRS时域模型。(c)传统纯旋转N2 CRS光谱和超宽带H2 CRS光谱测量的温度分布。(d)比较异地和异地参考协议的H2 CRS测温的测量精度:标准(异地)协议导致对H2温度的一致低估。

来源:Coherent Raman spectroscopy on hydrogen with in-situ generation, in-situ use, and in-situ referencing of the ultrabroadband excitation, Optics Express, DOI: 10.1364/OE.456817

长三角G60激光联盟陈长军原创作品!