Модуль E20-10 в задаче регистрации излучения ударной волны при моделировании атмосферы Марса

Внедрение: 2013 г.

В журнале Физико-химическая кинетика в газовой динамике опубликована статья [1], в которой приводятся основные технические параметры системы регистрации излучения ударной волны, используемой на двухдиафрагменной ударной трубе института механики МГУ. В данной системе модуль АЦП E20‑10 использовался для измерения сигнала от пьезодатчиков с целью определения скорости ударной волны. Представлены экспериментальные результаты изменения во времени основных излучающих молекулярных компонент смеси, моделирующей атмосферу Марса с высоким временным разрешением.

Основным инструментом для исследования физико-химической кинетики и излучения сильных ударных волн служат ударные трубы. Экспериментальные данные, получаемые на ударных трубах, представляют существенный интерес как для аэрокосмических приложений, так и для фундаментальных исследований.

Двухдиафрагменная ударная труба (УТД) с системой регистрации изображена на рисунке 1.

Регистрация сигналов от пъезодатчиков выполняются с помощью АЦП E20‑10. В камере низкого давления напротив друг друга расположено по паре оптических окон для наблюдения за излучением исследуемого газа. Через эти окна в каждом эксперименте производится измерение как спектрального состава излучения, так и изменение во времени интенсивности излучения. 

В главном спектральном канале, собранном на базе спектрографа B&M50, производились измерения абсолютной интенсивности излучения ударно нагретого газа. Для регистрации излучения использовалась ICCD камера. Запуск ICCD камеры в экспериментах осуществлялся от сигнала с пьезодатчика P7. Момент запуска контролировался АЦП с точностью не хуже 0.4 мкс. 

Во вспомогательном канале регистрируется излучение ударно нагретого газа в относительных единицах. Спектральные измерения проводятся с помощью стробируемой CCD линейки Hamamatsu, установленной на выходе спектрографа Horiba CP‑40. Этот канал измерения позволяет наблюдать панорамный спектр излучения в спектральном диапазоне 350‑1100 нм одновременно со спектром, полученным в главном спектральном канале в одном из спектральных поддиапазонов (200‑420 нм, 405‑635 нм и 625‑850 нм). Таким образом, имеется возможность получить весь спектр в диапазоне 200‑1100 нм в абсолютных единицах интенсивности за один выстрел ударной трубы. 

На рисунке 2 представлены спектры излучения, полученные на ICCD камере (слева) и на CCD линейке в относительных, не откалиброванных по спектральной чувствительности единицах (справа). 

Рисунок 2. Спектры излучения ударно нагретой смеси, моделирующей атмосферу Земли N₂:O₂=4:1: эксперимент № 526, 527 ICCD матрица (слева); эксперимент № 527 CCD линейка (справа).

Авторы ссылаются на спектральные измерения излучения для смеси, моделирующей атмосферу Марса, и сравнение с расчетной моделью, приводимые в работах [2], [3].

Для измерения эволюции во времени излучения в ударно сжатом слое в системе регистрации предусмотрены два канала. Первый постоянный, измеряющий интегральное излучение в спектральном диапазоне 200‑850 нм (на основе ФЭУ‑100). Второй канал (на основе спектрографа B&M50) используется в случае необходимости проведения временных измерений в выделенном спектральном интервале, при этом в случае использования этого канала регистрация спектров в главном спектральном канале невозможна. Измерения интенсивности в обоих каналах относительные, но их амплитуда в серии экспериментов, когда оптическая схема не перестраивается, может быть откалибрована в абсолютных единицах.

Пример временнóго профиля интегрального излучения приведен на рисунке 3. Условия проведения эксперимента (номер эксперимента, начальное давление, состав смеси, скорость ударной волны и спектральный диапазон) указаны на всех приведённых ниже рисунках.

Рисунок 3. Временнóе поведение интегрального излучения для смеси 80%N₂+20%O₂.

Результаты исследования эволюции во времени излучения различных молекулярных полос в смеси 70% CO₂+30% N₂, моделирующей атмосферу Марса, показаны на рисунках 4‑6.

Рисунок 4. Временнóе поведение излучения для смеси 70%CO₂ + 30%N₂: полоса CO(4⁺) – слева; временнóе поведение излучения для смеси 70%CO₂ + 30%N₂: полоса CO(4⁺) – справа.

Рисунок 5. Временнóе поведение излучения для смеси 70%CO₂ + 30%N₂: полосы Свана молекулы C₂ – слева; временнóе поведение излучения для смеси 70%CO₂ + 30%N₂: полосы Свана молекулы C₂ – справа.

Рисунок 6. Временнóе поведение излучения для смеси 70%CO₂ + 30%N₂: фиолетовая полоса молекулы CN – слева; временнóе поведение излучения для смеси 70%CO₂ + 30%N₂: фиолетовая полоса молекулы CN – справа.

Описана двухдиафрагменная ударная труба НИИ механики МГУ с системой регистрации. Измерены абсолютные значения объемной плотности излучения за фронтом ударной волны для смеси 80%N₂ + 20%O₂. Для тех же условий зарегистрированы временные профили интегрального излучения. Исследовано временнóе поведение интенсивности излучения различных молекулярных полос для смеси 70%CO₂ + 30%N₂.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 13‑08‑00705 А.

Источники:

1. Козлов П.В., Романенко Ю.В. Ударная труба института механики МГУ для исследования радиационных процессов в высокотемпературных газовых потоках // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. – 2013. – Т. 14, № 4. – С. 1‑5.
2. Kozlov P.V., Romanenko Y.V., Shatalov O.P. Radiation Intensity Measurement in Simulated Martian Atmospheres on the Double Diaphragm Shock Tube // Proc. ‘4th Int. Workshop on Radiation of High Temperature Gases in Atmospheric Entry’, Lausanne, Switzerland, 12‑15 October 2010. (ESA SP-689, February 2011).
3. Dikalyuk A.S., Kozlov P.V., Romanenko Yu.V., Shatalov O.P., Surzhikov S.T. Nonequilibrium radiation behind the strong shock waves in marsian and titan atmospheres: Numerical rebuilding of experimental data // AIAA2514-795, Pp. 1‑10.

Разработчик: Козлов П.В., Романенко Ю.В. (МГУ им. М.В. Ломоносова)