高光谱相机在硼基纳米流体燃料雾化燃烧研究中的应用

一、研究背景与测试需求

在航空航天动力系统研究领域，硼基高能纳米流体燃料作为一种新型高能量密度燃料，其雾化燃烧特性的研究受到广泛关注。研究团队在B/JP-10纳米流体燃料点火燃烧特性研究中，需要对燃料雾化燃烧火焰的空间特征发射光谱进行测试。

传统的光谱测试方法难以获取火焰不同位置的光谱信息，而成像高光谱相机能够同时获取目标的空间信息和光谱信息，满足该研究对火焰组分空间分布分析的需求。研究团队选用杭州彩谱科技有限公司生产的FS-22型成像高光谱相机，对燃料雾化火焰的空间辐射光谱进行了系统测试。

二、测试方法与光谱选择

研究过程中，FS-22型成像高光谱相机与纳米流体燃料雾化燃烧试验系统配合使用。该试验系统主要由给样系统、雾化喷嘴、测试系统和采样系统组成，采用空气雾化喷嘴对硼基纳米流体燃料进行雾化，使用等离子体电弧对样品的雾化射流进行点火。

高光谱相机被用于采集燃料雾化火焰的空间辐射光谱数据。根据硼元素和碳氢燃料燃烧的典型特征光谱，研究团队选取了两个特定波段的辐射进行分析：

1. 431 nm（蓝色波段）：对应CH自由基的辐射，用于表征碳氢燃料JP-10的燃烧反应。

2. 581 nm（绿色波段）：对应BO₂自由基的辐射，用于表征硼颗粒的燃烧反应。

通过对这两个特征波段辐射强度的空间分布进行成像分析，研究人员能够区分雾化火焰中不同位置的主导反应类型。

三、实验结果与分析

轴向中心位置光谱分析

高光谱相机获取的图像数据显示，雾化火炬轴向中心位置的光谱辐射存在明显的变化规律。位置1和位置2处的光谱曲线存在硼燃烧的特征“五指峰”，且   辐射强度随距喷口距离的增加而增强，表明喷口至位置2段雾化火炬中心位置存在硼的燃烧反应，且随着硼颗粒的运动而逐渐增强。从位置3开始至位置5，雾化火焰中心位置的硼特征峰消失，说明硼颗粒在该段未发生明显的化学反应。

径向位置光谱分析

以轴向中心辐射强度最大的位置4处为中心，对径向不同位置的光谱辐射进行对比分析发现：雾化火炬的上层边缘和下层边缘位置都存在硼辐射特征峰，但上层边缘的总体辐射强度略高于下层边缘，这是由于JP-10蒸汽在浮力作用下向上运动，导致火炬上层参与反应的JP-10量更多。同时，下层边缘位置存在明显的硼辐射特征峰，这与硼在重力作用下向下运动的特性相符。

燃烧区域划分

基于高光谱相机获取的空间光谱辐射数据，结合燃料雾化燃烧图像，研究团队将B/JP-10纳米流体燃料雾化火焰中心沿喷口的轴向划分为四个燃烧区域：B/JP-10耦合燃烧区域（出口段）、JP-10单相燃烧区域（稳燃段）、B/JP-10耦合燃烧区域（尾焰段）、硼单相燃烧区域。这一区域划分为进一步理解燃料雾化燃烧机理提供了依据。

四、案例总结

彩谱FigSpec FS-22高光谱相机在硼基高能纳米流体燃料研发中的应用，实现了燃烧过程空间信息与光谱信息的一体化采集，解决了传统检测手段难以覆盖火焰全域、无法同步获取组分分布的痛点。其稳定的成像性能、精细的光谱解析能力，可为高能燃料配方优化、燃烧机理研究、燃烧模型建立提供可靠的检测手段，助力航空航天新型动力燃料的技术突破。

产品推荐

FigSpec FS-22成像高光谱相机

l 图像分辨率：1920*1920

l 光谱范围：400-1000nm

l 光谱分辨率(FWHM)：5nm

l 光谱通道数：600