Trong nghiên cứu quá trình phun sương và cháy, dữ liệu chỉ về cường độ sáng tổng thể thường chưa đủ để nhận biết phản ứng diễn ra ở đâu trong ngọn lửa. Camera siêu phổ FS-22 được sử dụng trong một nghiên cứu về nhiên liệu nanofluid B/JP-10 nhằm thu nhận đồng thời thông tin hình ảnh và phổ bức xạ không gian. Cách tiếp cận này giúp quan sát phân bố các tín hiệu quang phổ đặc trưng tại nhiều vị trí của vùng cháy.
Nhu cầu phân tích không gian trong nghiên cứu cháy
Nhiên liệu nanofluid nền boron được quan tâm trong nghiên cứu hệ động lực hàng không vũ trụ nhờ đặc tính phun sương và cháy. Với mẫu B/JP-10, nhóm nghiên cứu cần khảo sát phổ phát xạ đặc trưng theo không gian của ngọn lửa hình thành sau quá trình phun sương và mồi cháy.
Các phép đo phổ truyền thống có thể gặp hạn chế khi cần đối chiếu thông tin tại nhiều điểm khác nhau của ngọn lửa. Trong khi đó, hệ thống ảnh siêu phổ kết hợp dữ liệu không gian với dữ liệu phổ trên cùng đối tượng quan sát. Đây là cơ sở để phân tích sự thay đổi thành phần hoặc dạng phản ứng theo trục và theo các vị trí xuyên tâm của ngọn lửa.
Thiết lập đo với FigSpec FS-22
Trong thử nghiệm, FigSpec FS-22 được phối hợp với hệ thống kiểm tra phun sương – cháy nhiên liệu nanofluid. Cấu hình được mô tả gồm hệ cấp mẫu, đầu phun sương, hệ thống thử nghiệm và hệ lấy mẫu. Đầu phun sương bằng không khí tạo tia nhiên liệu B/JP-10, sau đó hồ quang plasma được dùng để mồi cháy tia phun.
Camera siêu phổ thu nhận dữ liệu phổ bức xạ theo không gian của ngọn lửa. Từ tập dữ liệu này, nghiên cứu lựa chọn hai dải bức xạ để quan sát các dấu hiệu phản ứng:
431 nm: dải màu xanh, gắn với bức xạ của gốc CH và được dùng để đặc trưng cho phản ứng cháy của nhiên liệu hydrocarbon JP-10.
581 nm: dải màu xanh lục, gắn với bức xạ của gốc BO₂ và được dùng để đặc trưng cho phản ứng cháy của hạt boron.
Phân tích ảnh cường độ bức xạ ở hai dải này cho phép so sánh tương quan các dạng phản ứng tại từng khu vực của ngọn lửa phun sương. Thay vì chỉ xem một phổ đại diện, người vận hành có thể đối chiếu vị trí xuất hiện và biến thiên của các đặc trưng phổ trong trường quan sát.
Kết quả phân tích theo trục ngọn lửa
Dữ liệu ảnh siêu phổ cho thấy phổ bức xạ tại tâm dọc trục của ngọn lửa có sự thay đổi theo vị trí. Ở Vị trí 1 và Vị trí 2, đường phổ xuất hiện các đỉnh đặc trưng được mô tả là dạng “năm ngón tay” của quá trình cháy boron. Cường độ bức xạ tăng khi khoảng cách tới đầu phun tăng, cho thấy phản ứng của boron ở vùng tâm từ đầu phun đến Vị trí 2 và có xu hướng mạnh dần theo chuyển động của các hạt boron.
Từ Vị trí 3 đến Vị trí 5, các đỉnh đặc trưng của boron ở tâm ngọn lửa không còn được ghi nhận rõ. Trên cơ sở đó, nghiên cứu không xác định phản ứng hóa học đáng kể của hạt boron tại đoạn này của vùng tâm.
So sánh phân bố bức xạ theo phương xuyên tâm
Tại Vị trí 4, nơi cường độ bức xạ ở tâm trục đạt mức cao nhất trong phép so sánh, phổ ở các vị trí xuyên tâm được đánh giá thêm. Các đỉnh bức xạ đặc trưng của boron xuất hiện ở cả mép trên lẫn mép dưới của ngọn lửa phun sương.
Cường độ tổng thể ở mép trên cao hơn nhẹ so với mép dưới. Nghiên cứu lý giải hiện tượng này bằng sự dịch chuyển đi lên của hơi JP-10 do lực nổi, khiến lượng JP-10 tham gia phản ứng ở phần trên của ngọn lửa lớn hơn. Đồng thời, các đỉnh đặc trưng của boron vẫn hiện diện rõ tại mép dưới, phù hợp với đặc điểm hạt boron chuyển động xuống dưới do trọng lực.
Phân vùng cơ chế cháy của B/JP-10
Kết hợp dữ liệu phổ bức xạ không gian với ảnh quá trình phun sương – cháy, nhóm nghiên cứu phân chia phần tâm của ngọn lửa B/JP-10 theo trục đầu phun thành bốn vùng. Các vùng gồm: vùng cháy kết hợp B/JP-10 ở đoạn cửa ra, vùng cháy đơn pha JP-10 ở đoạn cháy ổn định, vùng cháy kết hợp B/JP-10 ở đoạn đuôi lửa và vùng cháy đơn pha boron.
Cách phân vùng này tạo cơ sở để xem xét cơ chế cháy của nhiên liệu theo từng khu vực, thay vì đánh giá ngọn lửa như một vùng đồng nhất. Với hoạt động kiểm soát và kiểm tra trong nghiên cứu, dữ liệu có cả tọa độ không gian lẫn đặc trưng phổ có thể hỗ trợ so sánh các trạng thái thử nghiệm và xây dựng mô hình cháy.
Thông số được nêu của camera siêu phổ FS-22
FigSpec FS-22 là camera đa phổ được sử dụng trong nghiên cứu này. Các thông số được cung cấp gồm:
Độ phân giải hình ảnh: 1920 × 1920.
Dải phổ: 400–1000 nm.
Độ phân giải phổ (FWHM): 5 nm.
Số kênh phổ: 600.
Với việc thu nhận tích hợp ảnh và phổ, camera đa phổ FS-22 phù hợp cho bài toán quan sát phổ bức xạ không gian của ngọn lửa trong nghiên cứu B/JP-10. Dữ liệu thu được có thể được dùng làm căn cứ phân tích phân bố phản ứng, nghiên cứu cơ chế cháy, tối ưu công thức nhiên liệu và thiết lập mô hình cháy trong phạm vi thử nghiệm được mô tả.
