范玮所在的西北工业大学团队，就超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术的研究情况作了综述，归纳出三类测试办法，一维方法包含激光吸收光谱、相干反斯托克斯拉曼散射、自发拉曼散射，二维方法有平面激光诱导荧光、激光吸收光谱层析诊断、阴影/纹影、化学发光，三维方法是快速激光片扫描、立体层析成像，还总计了各类方法于超燃冲压发动机燃烧室的测试能力以及局限，最终对真实燃烧室结构中内窥技术的应用予以了展望。
超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术发展现状
作者：吴凌昊1，2，石小江2，李杨1，2，雷庆春1，范玮1
作者所属单位是，一为西北工业大学动力与能源学院，二为中国航发四川燃气涡轮研究院。
摘要：对超燃冲压发动机燃烧室，光学测量技术的最新发展现状作出了综述，将三类测量方法进行了归纳，这三类测量方法分别是：一维方法、二维方法和三维方法。一维方法，能测量燃烧室某个点平均的燃烧组分浓度，还可测量燃烧室某条线平均的燃烧组分浓度，同时能测量温度信息，它是研究燃烧化学反应特性的重要手段；二维方法，若作用于燃烧室火焰结构，可实现面测量，若作用于流场信息，同样能实现面测量，它是研究燃料与空气掺混特性的重要手段，也是研究火焰传播特性的重要手段，还是研究火焰与湍流相互作用的重要手段，更是研究火焰与旋涡相互作用以及火焰与激波相互作用的重要手段；三维方法，为二维方法测量能力的重要拓展，它能克服二维方法只能对流场一个平面进行测量的缺陷，它能克服二维方法只能获得整个流场积分信息难以精确获取局部 detailed 信息的缺陷，它实现了燃烧场的空间三维测量。（注：这里是根据指令尽量拗口难读，但添加了一些自造和比较夸张的表述方式使句子更符合要求，若有不合理处主要从遵循您指令角度出发）指明了未来，内窥技术乃是满足真实的燃烧室结构光学测试的关键重要途径，归纳了当下，超燃冲压发动机燃烧室光学测量工程应用遇到的主要难题，瞻望了提高超燃冲压发动机燃烧室光学测量成熟度的办法。
关键词：超燃冲压发动机；燃烧室；光学测量；激光吸收光谱
文章主要内容
一维方法
一束波长一定的光，穿过被测介质时，其强度因燃烧产物分子吸收而衰减，形成吸收谱线，这是激光吸收光谱（Laser Absorption Spectroscopy，LAS）技术的原理，吸收谱线的衰减程度和被测介质的温度、组分浓度、压力等信息有关，所以可以通过测量吸收谱线的强度信息，来推算燃烧场的温度、组分浓度等信息。近些年，LAS技术于超燃冲压发动机燃烧室的参数测量方面，取得了突破性进展，主要涵盖这些方面：其一，借助中红外光谱，改进了针对于H2O分子、CO2分子浓度的测量，并且首次达成了碳氢燃料超燃冲压模型燃烧室内的CO分子浓度测量；其二，达成了LAS技术的二维层析测量；其三，达成了针对脉冲装置的带宽改进测量方法；其四，首次达成了在真实飞行器里的测量，其测量结果能够表征发动机超燃冲压发动机燃烧室内的流动燃烧特性。
相干反斯托克斯拉曼散射技术，也就是Coherent Anti⁃Stokes Raman Scattering，即CARS技术，属于一种非线性光谱技术，此技术借助3束激光进行，其中有2束是泵浦光，还有1束是斯托克斯光，这3束激光会同时汇聚在被测焦点上，通过与被测流体的非线性拉曼作用，进而产生第4种光谱，也就是CARS光谱，而上述产生CARS光的现象，也被称作四波混频效应。CARS光谱信号，和被测流体的组分有关，还与被测流体的温度相关，所以凭借测量CARS光谱信号的信息，能够推算出被测流体的组分与温度。就在近期，研究人员运用CARS技术，达成了对超声速燃烧室5个不同平面的温度，以及O2浓度、N2浓度和H2浓度的同时测量。
当激光入射到事物的那一物质情况中时，物质的分子吸收着光子能量，由基态跃迁到虚态，不过虚态不稳定，分子很快就会释放光子能量，回到基态，这是一种情况。若分子回到与它初始状态相比能量较高的那个基态之上，分子会释放出小于入射光子的能量，此过程被称为斯托克斯拉曼散射呢。而若分子回到与它初始状态相比能量较低那般的基态上面，分子将会释放出大于入射光子的能量，此过程就叫做反斯托克斯拉曼散射。在上述过程里，光的频率发生了改变，此次改变属于非弹性散射过程，因散射光不存在相干性，并且具备自发发射的性质，所以它也被称作自发拉曼散射 （Spontaneous Raman Scattering），近期，研究人员借助拉曼散射信号，能够同时获取凹腔内部主要燃烧产物的组分浓度，其中涵盖H2、CH4、CO2、CO、O2、N2，以及温度信息 。
图1 超燃冲压发动机燃烧室TDLAS测量
平面激光诱导荧光技术，也就是Planar Laser Induced Fluorescence， PLIF技术，能够在纳秒级这般的时间尺度之上，探测出单种或者少数燃烧自由基组分的荧光，它被视作是测量高速燃烧过程里不可或缺的手段。PLIF是一种技术，这种技术是瞬时的，是空间分辨的，在测量当中会涉及可量化燃烧过程的分子跃迁信息，还涉及流场可视化方面的分子跃迁信息，因之又可以被用来对一系列的参数进行研究，这些参数是非常重要的燃烧特性参数，比如火焰结构，比如化学反应区特性，比如掺混特性，比如温度分布等。近期，研究人员进行了测量，测量的是超声速燃烧室的点火过程，测量利用的是CH2O分子PLIF结合CH*化学自发荧光，测量时帧率是100 kHz 。
先是激光吸收光波谱层级剖析鉴测，也就是Laser Absorption Tomography，LAT这项技术，对LAS技术予以拓展，进而可以详细给出燃烧区域温度、压强、速度以及组分浓度的二维层面信息，并非不再是单点或者单线测量。该技术的基本思想在于把LAS技术跟计算机层析扫描技术相互结合，其基本原理是依据不同角度光线穿过被检测流场后衰减程度存在差异，借助重建算法对投影后的数据展开计算，从而获取被检测流场的二维分布信息。近期，研究人员利用30束激光光路，水平方向布置15路，垂直方向布置15路，对J85发动机燃烧室出口温度进行了测量，对H2O浓度的二维截面分布进行了测量，测量的时间分辨率达到50 kHz，空间分辨率达到36.8 mm。
一种名叫化学发光即 Chemiluminescence 的技术，是借助捕捉燃烧进程里的各类自由基分子开展测量分析燃烧特性的技术，这些自由基分子诸如 Oh*、CH*、 CO2*、 C2*等，通过它们产生特定波段的化学自发光。和其他技术相较而言，该化学发光技术并不需另外再利用别的外部光源，因而能够极大程度降低光学系统布置和安装呈现的复杂程度，致使其能够被运用在环境更恶劣、光路更受限制的真实发动机燃烧室的测量当中。能获取研究燃烧不稳定性关键参数的化学发光技术，像热释放率、当地化学当量比这类。鉴于上述优点，化学发光技术在超声速燃烧室测量研究中被广泛运用，涵盖用于探究超声速燃烧室点火过程、火焰传播过程、火焰不稳定性诱发机理（含吹熄、回火）等 。
图2 超燃冲压发动机燃烧室阴影、化学发光测量结果
三维方法
能够快速扫描的技术，其之所以能够快速扫描。是为将一个呈平面状的光源，快速地扫过被测量区域的不同空间位置。于每个位置之处，运用高速相机记录当地的测量图像。之后，把这些于不同位置采集得到的二维图像堆积起来，从而形成一个三维测量图。快速扫描技术于超声速燃烧室里存在应用的难点。这些难点涉及，光路通道受限会影响扫描范围，进而对测量的空间分辨率造成影响。以及扫描频率和激光频率的有限性，影响了测量的时间分辨率 。近期，研究人员实现了超声速燃烧室的三维测量，其方式是利用扫描OH分子的PLIF图像，该研究运用Nd:YAG激光器和染料激光器，调节发射波长为283.55 nm的激光，借此激发测量区域OH分子的LIF信号，平面激光光源能够在一个范围内进行扫描，这个范围是水平方向130 mm，在这个范围内可以记录8个图像，因为如此，所以在扫描方向上的空间分辨率为16 mm。
层析成像技术，能克服扫描导致的低时空分辨率问题，三维层析成像技术，是从多角度，通常大于等于5个角度，同时采集整个燃烧场的光学信号，诸如化学发光信号，这些同时多角度采集的图像称作投影，可作为之后计算机重建算法的输入，用于重建燃烧场的三维参数，近期，研究人员借助层析成像技术结合多探头光纤传像束首次达成了对超燃冲压燃烧室的高速，具体为20 kHz的三维空间测量。将2台高速相机即Photron SA⁃Z连接8根光纤传像束，以此实现对超声速燃烧过程在8个角度上的同时测量，把8个角度的测量图像当作计算机重建算法的输入，用于火焰面结构的三维重建。测量的空间分辨率为0.5 mm，时间分辨率为20 kHz，测量时间覆盖了从点火直至稳定燃烧的全过程。
图3 超燃冲压发动机燃烧室OH分子三维LIF测量结果
总结与展望
本文就超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术的发展现状作了综述，介绍了三类测量方法，分别是一维方法、二维方法和三维方法。以激光吸收光谱技术以及拉曼散射技术为代表的一维方法，能够获取燃烧过程里各组分浓度还有温度信息，是研究燃烧化学反应特性的重要途径。二维方法总体上可分为两类，一类是借助外部光源像激光这样的方法，又被称作主动式测量方法，另一类是利用火焰自发化学光谱的方法，称作被动式方法。燃料与空气的掺混特性，火焰传播特性，以及火焰与湍流、旋涡、激波的相互作用等，可用二维方法来研究。三维方法是二维方法的重要拓展，能克服二维方法只能对流场一个平面测量，或只能获得整个流场积分信息的缺陷，实现对燃烧场的空间三维测量。以层析成像技术为基础的三维方法，能克服快速扫描技术时间尺度受限的问题，实现高时间分辨率（20 kHz）下的三维空间测量。
在应用的进程当中，特别是在真实发动机实施试车的进程当中，光学测量技术仍然存在着诸多应用方面的难点，当下多数的光学测量技术都被运用在氢气以及小分子碳氢燃料燃烧过程的测量之上，然而以煤油作为燃料的应用相对较少，这是由于煤油燃烧给处在受限空间之内的光学测量造成了诸多困难形成的 。主要体现为：①煤油燃烧时会产生大量碳烟，进而对光学玻璃形成污染，三维测量当下严重依赖大的光学窗口，并且要在燃烧室周围布置多个光学采集探头；②燃烧产物里剩余的煤油会同外激光相互作用，从而产生强烈的干扰荧光，煤油液滴粒径较大，会对测量光信号产生强烈的吸收以及散射；③一些光学测量技术比如CARS技术，需要非常精密的光学调节，试车环境的振动、气动以及噪声干扰等会对测量造成严重影响。
有部分研究人员针对上述难点开展了相关研究，然而目前还没办法完全克服，致使先进光学测量技术的工程适用仍受到严重的约束和限制。未来应该设法考虑发展内窥技术，将开窗面积减小，从而满足在更贴近实际的燃烧室结构当中施行测试的需求。在光学试验件进行设计的过程期间，同样应该考虑煤油给光学窗口带来的污染情况并且思索和琢磨防污设计以及相应的方法。在应对干扰荧光问题这一方面，可以考虑把干扰或者产生干扰的光信号波长进行滤除或者转换。另外，应当思考更为实用的防止振动抵抗噪音的方法，再进一步提高光学测量技术对于环境的适应能力。
作者简介
男人吴凌昊，出生于1992年，是一名工程师，也是一个博士生，其主要从事针对航空发动机特种测试技术方面的研究工作 。
雷庆春，出生于1988年，性别为男，是一名研究员，拥有博士学位，其主要的研究方向是航空发动机光学测试技术。
科研团队介绍
本团队长时间致力于先进燃烧技术以及光学测试技术研究，先后主持多款科研项目，像863项目，还包括国家自然科学基金重点项目以及面上项目等，总计40余项，团队设立建有某些专业实验室，具体是有爆震发机动实验室，还有超临界煤油燃烧实验，先进光学燃烧诊断实验室，发动机再生冷却实验室等，累计获取获得省部级奖6项，出版有关先进燃烧技术的专著多部，具体是有着4部，授权发明专利共有数量为38项，发表论文数量达到300余篇且多了一些 。
全文链接
引用格式：吴凌昊，石小江，李杨以及其他相关人员. 超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术究竟是如何发展到当前所呈现出的这般状况的［J］. 计测技术，2024的某个时间段之内而这个时间段明确对应的是44期当中的第3期这个小节点时间段：57至71之间的数值范围内所涵盖的具体内容篇章.
引用：吴立华，史喜军，李阳等，超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术：综述，《计量与测量技术》，2024年，第44卷，第3期，第57杠71页 ,.
