可調諧二極管激光吸收光譜( TDLAS) 技術可用于氣體溫度的高精度快速測量, 但目前TDLAS 技術研究一般集中在正壓范圍內, 真空環境下該技術的應用研究較少。空間真空環境由于壓力極低, 傳統的接觸式溫度測量技術存在眾多不確定性因素。本文從熱力學溫度定義出發, 提出并分析了TDLAS 技術測量空間真空環境下痕量氣體分子振- 轉溫度的可能性和精度。同時以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 兩條吸收譜線為例, 分析了TDLAS 技術測量氣體分子振- 轉溫度的方法和精度。分析結果表明即使壓力達到1.0×10^-3Pa, 如果在實驗中選取吸收強度大的譜線對, 同時增加有效吸收光程, 可以得到比較理想的吸收信號, 實現氣體分子振- 轉溫度的測量。

　　隨著我國航天技術、飛行器再入技術的發展, 真空環境試驗、特別是航天器真空熱試驗成為一項非常重要的試驗驗證工作, 其中真空環境下某些基本參數的測量尤其是溫度的測量成為上述研究的關鍵測試技術。但是到目前為止, 航天器真空熱試驗中溫度的測量基本上還是采用傳統的接觸式測溫技術, 其中熱電偶溫度測量系統應用十分普遍, 但隨著航天科學技術的發展, 傳統的熱電偶測溫技術存在著一定的局限性[ 2], 如高真空環境會導致溫度傳感器的表面解吸、不同氣體組分導致傳感器的熱響應改性; 熱電勢信號較小, 當信號采集處理單元安裝在真空室外, 連接測量點和信號處理單元間的熱偶電纜比較長, 噪聲會對高精度的測量產生不利影響。

　　另外, 由于真空熱試驗的溫度場比較復雜, 測量線的材料和工藝如得不到正確的處理, 就會有附加熱電勢的干擾。與此同時, 航天器真空熱試驗中需要的熱電偶數量龐大, 不僅給試驗帶來困難, 而且熱電偶線的熱損失也會降低溫度測量的精度。而從物理角度分析, 在高真空環境下采用熱電偶測量溫度存在著諸多不確定性因素, 如在壓力較大情況下, 傳熱方式主要有對流、熱傳導和輻射三種, 但是在真空狀態( < 10 Pa) 下, 對流和熱傳導的作用非常微小, 此時對工件、熱電偶起升溫作用的主要是輻射, 而輻射反映的是分子轉動和振動( 分別對應轉動和振動溫度) 的熱運動情況, 可事實情況卻是: 熱電偶的校準工作一般是在常壓下進行, 此時熱電偶測量的溫度為平動溫度( 即經典熱力學溫度) , 其溫度高低反映了分子熱運動的劇烈程度。上述現象表明: 當采用常壓下標定的熱電偶測量真空環境的溫度存在著不可預知的問題, 因此發展先進的、準確的、有效的空間真空環境下溫度測量技術有著明確的、長遠的、重大的民用和軍事應用背景。

　　基于上述原因, 考慮可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS) 可以測量氣體分子振-轉溫度、且分子振-轉溫度與平動溫度時刻保持平衡的特點, 本文力求將TDLAS 技術應用到空間真空環境下溫度的測量, 并根據測量得到的振-轉溫度驗證傳統接觸式測溫技術的可靠性和精度。為此, 本文通過選擇合理的氣體分子( C2H2 分子) 吸收譜線, 通過數值模擬技術分析和計算了TDLAS 技術測量極低壓力環境下氣體分子振-轉溫度的可行性和精度, 為空間真空環境下溫度測量提供新的測試手段和理論支持。

　　TDLAS 測溫原理

　　自上世紀六七十年代以來, 隨著激光和光電子技術的發展以及半導體激光器與光纖元件大規模商用化, TDLAS 技術得到迅速發展。尤其是上世紀80年代J. Reid將波長調制光譜(WMS) 技術引入到TDLAS 測量系統中以來, 科研工作者通過諧波檢測手段極大地提高了TDLAS 技術的測量精度和靈敏度, 實現了多種環境下氣體分子振-轉溫度的在線測量。盡管TDLAS 技術在氣體溫度測量中取得了重大進展, 但目前的研究一般集中在1.0~ 1000 kPa壓力范圍內, 而關于高真空環境( 1.0 Pa 以下) 下氣體溫度測量的報道很少, 其主要原因在于: 目前TDLAS技術主要針對具體的工程應用, 而工程應用中一般很少涉及到極低壓力環境; 另外,TDLAS 技術是通過分析氣體對激光的吸收情況得到氣體分子的振-轉溫度, 但在高真空環境下, 氣體分子密度很小, 使得吸收信號很弱而不利于實驗測量。但近幾年來,隨著實驗水平的進步, 尤其是光學諧振腔技術的發展, 使得測量高真空環境下氣體溫度成為可能。

　　總結

　　本文針對傳統的接觸式測溫技術在極低壓力環境下存在的問題, 初步提出并分析了TLDAS 測溫技術在空間真空環境下應用的可能性, 并以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 兩條吸收譜線為例, 分析和計算了TDLAS 技術測量氣體分子振-轉溫度的精度。另外, 考慮到極低壓力環境下氣體分子對激光吸收較弱的問題, 本文擬采用離軸積分腔光譜技術增大譜線的吸收強度, 計算結果表明: 即使壓力小于1.0 Pa, 如果在實驗中選取吸收強度大的譜線對,同時增加有效吸收光程, 也可以得到比較理想的吸收信號, 實現氣體分子振-轉溫度的測量。與此同時, 為驗證傳統熱電偶測溫技術在空間真空環境下測量溫度的可靠性和精度, 實驗中擬將TDLAS 測量得到的氣體分子振-動溫度與熱電偶測量的溫度進行比較, 分析二者之間的誤差, 建立一種空間真空環境下溫度測量與校準技術。