To diagnose the operation state of a high-speed aerospace engine, a non-intrusive sensor that can measure the flow properties could be required. The tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), which can characterize the flow through spectroscopic measurement and analysis by using a tunable laser source, is a suitable technique for such high-speed flow diagnosis. In this study, a laser absorption spectroscopy-based compact gas analysing sensor for high-speed flow diagnosis is designed and applied to stationary gas conditions and supersonic flow conditions which have various pressures and temperatures.
A gas analysing sensor for an air-breathing engine intake is designed based on laser absorption spectroscopy. The number of optical and electrical components is reduced and the characteristics are optimized to detect the weak absorption lines of oxygen molecules while making the gas analysing sensor smaller. A triangular spiral-shaped laser beam path, which could be applied to a rectangular flow passage, is proposed for the doppler shift detection and absorption strength amplification. The design concepts of adjustable hardware components are proposed to miniaturize the gas analysing sensor. The procedure of converting the temporal raw signal measured by the gas analysing sensor into a spectral absorbance is introduced.
A spectroscopy method for the designed gas analysing sensor is proposed to measure multiple gas properties from a single absorption line. Although the usage of multiple absorption lines can improve the measurement accuracy and the number of measurable gas properties, measurement of multiple absorption lines could be difficult in the designed gas analysing sensor because it utilizes a single laser source. Therefore, a spectroscopy method that can measure the multiple gas properties is required. In the singleline absorption spectroscopy method proposed in this study, absorbance loss that may occur in the direct absorption spectroscopy is predicted and the measured absorption line is recovered by using the predicted absorbance. Multiple gas properties such as pressure and temperature are then determined by matching the recovered absorption line with the calculated line. To verify that the proposed single-line absorption spectroscopy method could be used for gas property measurement, air conditions with various pressures and temperatures are made in a gas chamber. The gas properties of the test conditions measured using the gas analysing sensor are compared with the gas properties measured using the traditional sensors.
To verify that the designed compact gas analysing sensor is applicable for the high-speed flow diagnosis, supersonic wind tunnel tests are performed. A shock tunnel and a supersonic wind tunnel with an electric heater are used as the ground facilities. The pressure, temperature, and speed of the generated supersonic flow are measured using the designed compact gas analysing sensor with the proposed single-line absorption spectroscopy method. The measured flow properties are compared with the values measured and calculated using traditional techniques such as pressure sensors, shock angle measurement via flow visualization, and isentropic relation calculation. It is confirmed that the compact gas analysing sensor designed in this study could be applicable for the high-speed flow diagnosis.
초고속 비행 환경에서 사용되는 항공 엔진의 작동 상태를 진단하기 위해서는 엔진 내부 유동에 영향을 주지 않는 유동 특성 측정 센서가 필요하다. 파장가변 다이오드 레이저 흡수 분광법 (Tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)은 파장이 변하는 레이저를 사용한 분광 측정 및 분석을 통해 압력, 온도, 몰분율과 같은 기체 특성을 측정할 수 있기 때문에 초고속 유동 진단에 적합하다. 본 연구에서는 고속 유동 진단을 위한 레이저 흡수 분광법 기반 소형 기체분석 센서가 설계되고, 다양한 압력 및 온도를 가지는 정지된 기체 상태 및 초음속 유동 환경에 적용되었다.
공기흡입식 엔진의 흡입 유동에 적용 가능한 기체분석 센서가 레이저 흡수 분광법을 기반으로 설계되었다. 기체분석 센서를 작게 만들면서 산소 기체의 약한 흡수선을 검출하기 위해, 광학 및 전자 구성품의 개수를 줄이고 특성을 최적화하였다. 직사각형 단면을 가지는 유로에 적용될 수 있는 삼각나선 모양의 광경로가 도플러 이동 검출 및 광경로 증폭을 위해 제안되었다. 기체분석 센서의 소형화를 위해, 광경로나 광량 조절 등에 사용될 수 있는 구성품에 대한 개념적 설계 또한 제안되었다. 기체분석 센서에서 측정된 시간별 원신호로부터 분광학적 분석이 가능한 파수별 흡광도로 변환하는 과정이 소개되었다.
설계된 기체분석 센서에 사용될 수 있는, 단일 흡수선으로부터 여러 개의 기체 특성을 동시에 측정하는 단일 흡수선 흡수 분광법이 제안되었다. 여러 개의 흡수선을 사용하면 측정 가능한 기체 특성의 개수 및 측정 정확도를 증가시킬 수 있지만, 설계된 기체분석 센서에서는 하나의 레이저만 사용하기 때문에 다중 흡수선의 동시 측정이 어려울 수 있다. 따라서, 한 개의 흡수선으로부터 여러 개의 기체 특성을 동시에 측정하는 방법이 필요하다. 본 연구에서 제안된 단일 흡수선 흡수 분광법에서는 직접 흡수법에서 발생할 수 있는 흡광도 손실이 예측되었으며, 이를 사용하여 측정된 흡수선이 복원되었다. 복원된 흡수선을 분광학적으로 계산된 흡수선과 비교하여 여러 기체 특성들이 동시에 결정되었다. 본 연구에서 제안된 단일 흡수선 흡수 분광법을 검증하기 위해 기체 챔버를 사용하여 다양한 압력 및 온도 범위를 가지는 공기 환경들이 생성되었다. 생성된 기체 환경에서 측정된 압력과 온도는 제안된 흡수 분광법을 사용하여 측정된 압력 및 온도와 비교되었다.
설계된 소형 기체분석 센서가 고속 유동 진단에 사용될 수 있는지 확인하기 위해, 초음속 풍동 실험이 수행되었다. 지상 실험 시설로는 충격파 터널과 전기가열식 초음속 풍동이 사용되었다. 설계된 소형 기체분석 센서와 제안된 단일 흡수선 흡수 분광법을 사용하여, 초음속 유동의 압력, 온도, 그리고 속도가 측정되었다. 측정된 유동 특성들은 압력 센서와 유동 가시화 등 기존의 유동 특성 파악 기법들을 사용하여 측정 및 계산된 유동 특성값들과 비교되었다. 이를 통해 설계된 소형 기체분석 센서가 고속 유동 진단에 사용될 수 있음을 확인하였다.
