高光譜相機在硼基納米流體燃料霧化燃燒研究中的應用

一、研究背景與測試需求

在航空航天動力系統研究領域，硼基高能納米流體燃料作為一種新型高能量密度燃料，其霧化燃燒特性的研究受到廣泛關注。研究團隊在B/JP-10納米流體燃料點火燃燒特性研究中，需要對燃料霧化燃燒火焰的空間特征發射光譜進行測試。

傳統的光譜測試方法難以獲取火焰不同位置的光譜信息，而成像高光譜相機能夠同時獲取目標的空間信息和光譜信息，滿足該研究對火焰組分空間分布分析的需求。研究團隊選用杭州彩譜科技有限公司生產的FS-22型成像高光譜相機，對燃料霧化火焰的空間輻射光譜進行了系統測試。

二、測試方法與光譜選擇

研究過程中，FS-22型成像高光譜相機與納米流體燃料霧化燃燒試驗系統配合使用。該試驗系統主要由給樣系統、霧化噴嘴、測試系統和采樣系統組成，采用空氣霧化噴嘴對硼基納米流體燃料進行霧化，使用等離子體電弧對樣品的霧化射流進行點火。

高光譜相機被用于采集燃料霧化火焰的空間輻射光譜數據。根據硼元素和碳氫燃料燃燒的典型特征光譜，研究團隊選取了兩個特定波段的輻射進行分析：

1. 431 nm（藍色波段）：對應CH自由基的輻射，用于表征碳氫燃料JP-10的燃燒反應。

2. 581 nm（綠色波段）：對應BO?自由基的輻射，用于表征硼顆粒的燃燒反應。

通過對這兩個特征波段輻射強度的空間分布進行成像分析，研究人員能夠區分霧化火焰中不同位置的主導反應類型。

三、實驗結果與分析

軸向中心位置光譜分析

高光譜相機獲取的圖像數據顯示，霧化火炬軸向中心位置的光譜輻射存在明顯的變化規律。位置1和位置2處的光譜曲線存在硼燃燒的特征“五指峰”，且   輻射強度隨距噴口距離的增加而增強，表明噴口至位置2段霧化火炬中心位置存在硼的燃燒反應，且隨著硼顆粒的運動而逐漸增強。從位置3開始至位置5，霧化火焰中心位置的硼特征峰消失，說明硼顆粒在該段未發生明顯的化學反應。

徑向位置光譜分析

以軸向中心輻射強度**的位置4處為中心，對徑向不同位置的光譜輻射進行對比分析發現：霧化火炬的上層邊緣和下層邊緣位置都存在硼輻射特征峰，但上層邊緣的總體輻射強度略高于下層邊緣，這是由于JP-10蒸汽在浮力作用下向上運動，導致火炬上層參與反應的JP-10量更多。同時，下層邊緣位置存在明顯的硼輻射特征峰，這與硼在重力作用下向下運動的特性相符。

燃燒區域劃分

基于高光譜相機獲取的空間光譜輻射數據，結合燃料霧化燃燒圖像，研究團隊將B/JP-10納米流體燃料霧化火焰中心沿噴口的軸向劃分為四個燃燒區域：B/JP-10耦合燃燒區域（出口段）、JP-10單相燃燒區域（穩燃段）、B/JP-10耦合燃燒區域（尾焰段）、硼單相燃燒區域。這一區域劃分為進一步理解燃料霧化燃燒機理提供了依據。

四、案例總結

彩譜FigSpec FS-22高光譜相機在硼基高能納米流體燃料研發中的應用，實現了燃燒過程空間信息與光譜信息的一體化采集，解決了傳統檢測手段難以覆蓋火焰全域、無法同步獲取組分分布的痛點。其穩定的成像性能、精細的光譜解析能力，可為高能燃料配方優化、燃燒機理研究、燃燒模型建立提供可靠的檢測手段，助力航空航天新型動力燃料的技術突破。

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FigSpec FS-22成像高光譜相機

l 圖像分辨率：1920*1920

l 光譜范圍：400-1000nm

l 光譜分辨率(FWHM)：5nm

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