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微重力燃烧中碳烟颗粒形成路径的激光诊断技术1

微重力燃烧中碳烟颗粒形成路径的激光诊断技术

摘要

本文系统探讨了微重力环境下碳烟颗粒形成路径的激光诊断技术，旨在为航天器火

灾安全、高效燃烧技术开发及大气污染控制提供理论支撑和技术方案。报告首先分析了

微重力燃烧的独特物理特性及其对碳烟形成过程的影响，随后详细阐述了多种激光诊

断技术（如激光诱导荧光、激光诱导白炽光、瑞利散射等）在微重力环境中的应用原理

与技术路线。通过对比国际空间站、抛物线飞行等平台上的实验数据，建立了碳烟颗粒

形成路径的量化模型，并提出了优化诊断精度的技术方案。报告还评估了该技术在航天

工程、工业燃烧优化及环境监测等领域的应用前景，提出了分阶段实施的技术路线图和

风险应对策略。研究表明，基于多波长激光诊断技术的组合应用可实现对微重力燃烧中

碳烟颗粒从成核到聚集全过程的精确追踪，为相关领域的研究提供了重要方法论支持。

引言与背景

1.1研究意义

微重力燃烧研究是航天器火灾安全防护的基础科学问题，也是理解燃烧本质物理

化学过程的重要途径。在微重力环境下，燃烧过程呈现出与地面重力条件下截然不同的

特征：浮力对流消失导致燃烧形态改变，化学反应路径发生偏移，碳烟颗粒形成与输运

机制也产生显著变化。据国际燃烧学会统计，约35%的航天器火灾事故与燃烧过程异

常相关，而碳烟颗粒作为不完全燃烧产物，不仅影响燃烧效率，还可能通过辐射热反馈

引发二次灾害。因此，发展高精度的碳烟颗粒诊断技术对于航天器安全设计具有重要意

义。

从更广阔的视角看，微重力燃烧研究还能揭示重力对燃烧过程影响的本质规律。美

国NASA的研究表明，微重力环境下碳烟生成率可比地面条件低2060%，这一发现为

开发低排放燃烧技术提供了新思路。欧盟”地平线2020”计划也将微重力燃烧列为重点

支持领域，投入约1.2亿欧元用于相关基础研究。我国”载人航天工程”和”深空探测”战

略同样将微重力燃烧作为关键技术方向，在”天宫”空间站上规划了专门的燃烧实验柜。

1.2碳烟颗粒形成机制

碳烟颗粒的形成是一个复杂的物理化学过程，通常包括燃料热解、多环芳烃(PAH)

生长、颗粒成核、表面生长和聚集氧化等阶段。在微重力环境下，这些阶段表现出独特

的特征：

1.燃料热解阶段：由于缺乏浮力对流，燃料与氧化剂的混合主要依靠分子扩散，导

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致局部当量比分布更均匀。实验数据显示，微重力下乙烯火焰的热解区厚度比地

面条件扩大约1.8倍。

2.PAH生长阶段：多环芳烃作为碳烟前驱体，其生长速率在微重力下呈现非线性

变化。空间站实验表明，微重力环境下C6H6的浓度峰值位置向火焰上游移动约

35mm。

3.颗粒成核阶段：成核速率对温度梯度极为敏感。微重力下温度梯度平缓化导致成

核区域扩大，但成核密度降低。典型数据表明，微重力下成核核密度比地面条件

低一个数量级。

4.聚集氧化阶段：缺乏重力沉降使碳烟颗粒在高温区停留时间延长，氧化程度更高。

测量显示，微重力下碳烟颗粒的氧化率比地面条件高1530%。

1.3激光诊断技术发展现状

激光诊断技术因其非接触、高时空分辨的特点，已成为燃烧研究的主流手段。针对

碳烟颗粒的激光诊断主要包括：

激光诱导白炽光(LII)：通过短脉冲激光加热碳烟颗粒至蒸发温度，测量其热辐射

信号反演颗粒体积分数。微重力下LII信号衰减时间延长约40%，为信号采集提供了有

利条件。

激光诱导荧光(LIF)：利用PAH等前驱物的荧光特性进行成像。微重力下荧光信

号信噪比可提高23倍，特别适合追踪早期成核过程。

瑞利散射：测量颗粒的弹性散射信号，可获得颗粒尺寸分布信息。微重力下多普勒

展宽效应减弱，提高了尺寸测量精度。

相多普勒分析(PDA)：结合相位差和多普勒频移，可同时测量颗粒尺寸和速度。

在微重力实验中需考虑颗粒运动轨迹的特殊性。

国际空间站上已成功部署了多种激光诊断系统，如美国的ACME实验装置和欧洲

的FLEX实验平台，积累了大量微重力燃烧数据。我国在”天宫”空间站上也规划了类似

的燃烧诊断实验，但针对碳烟