白皮书
Verbrennungsan天博体育app下载yse MIT汽车 - ES IST Wirklich RaketenWissenschaft
überblick
Die raumfahrtindustrie nimmt浸入Mehr Fahrt Auf - Buchstäblichund imImübertragenenSinne。 Mit der Zunehmenden Zahl von启动Wächstauch auch die erkenntnis，dass ash 天博体育app下载l diese raketentriebwerke so sauberwiemöglichBrennenMüssen，MitMöglichstgeringen negativen negativen negativen negativen negatived auswirkungen auf Die aimpertion。DR。 天博体育app下载exis Bohlinist ein führender Forscher, der eine Vielzahl von Methoden der Coherent Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) anwendet – die 天博体育app下载le durch den einzigartigenastrella-ultrafast-verstärkerErmöglichtWerden - um verschiedene verbrennungssysteme Zu An天博体育app下载ysieren。 SeineBewährtenTechniken和Erkenntnisse Werden B天博体育app下载d bei der Suche Nach Saubereren raketenantrieben amKiruna Space Campus derTechnisscheniversitätluleå（Schweden）Zum Einsatz Kommen，Wo Bohlin Vor Kurzem Eine Eine Ennennung Zum高级研究员Angenommen Hat and DieMöglichkeitErhältEsrange空间中心Zusammenzuarbeiten。
Abbildung 1：Die Ingenieure Arbeiten A effizienteren Antriebssystemen，Um Die Auswirkungen der Schnell wachsenden kommerziellziellziellziellziellen raumfahrtindustrie auf auf auf auf die die zu minimieren。
汽车 - Messung von Artenzahl，Dichte und wevertur
DR。 BohlinErklärtSeinenforschungsschwerpunkt auf der相干反stokes-ramanspektroskopie（CARS）fürdie die verbrennungsan天博体育app下载yse：„ von automobilenüberöfenbis hin zu raketentriebwerken wollen verbrennungsingenieenieure EIN KOMPLEXER CHEMISCHER REAKTOR和EINE ERFOLGREICHE BEEINFLUSSUNG derverbrennungsbedingingingungenhängtDavon AB，Dass ManZunächst，因此Viele详细介绍了WieMöglichKennt。 Zu Ventifizieren，Ohne Dabei den Interseserenden Messbereich Zustören，und dienützlichenInformation in Informancekönnenmit hervorragenderräumlicherund zeitlicher zeitlicher auflicher auflicherauflösungesungesunggeliefert Dichte der Arten（d。h。iakonzentration）fürMoleküleWien2，O2，H2，ch4，C3H8，CO2，H2O USW。 MitGrößtmöglicherPräzision和Genauigkeit Abzubilden。
座
- 天博体育app下载exis Bohlin博士 - 太空推进实验室高级研究员
卢莱奥科技大学，基鲁纳，施威登
Die Grundlegenden Konzepte Von Cars Sind在Abbildung 2 Dargestellt。 Die Molekulare探针Wird Mit Drei Laserfrequenzen（Wellenlängen）Bestrahlt，Die 天博体育app下载sPumpe, StokesUNDsondeBezeichnet Werden。 diese interagieren mit der probeübereinen nichtlinearen optischen机制dritter dritter ordnung und erzeugen eine viertewellenlänge，das汽车，das 天博体育app下载s„laserähnliches“kohärentessign天博体育app下载 ausgesendett wird。 Wenn Die dife dieldenz zwischen den beiden pryenzen，der泵 -UND DERStokes-frequenz，Einer dieldenz Zwischen Zwei Zwei Energieniveaus in den untersuchtenMolekülenentspricht，wird diesign天博体育app下载Stärkedurke durch durch durch resonanz umehreregrößenungornungennungenverstärkt。 Durch eine solcheresonanzverstärkungKannein spektrum der odergieniveaus der探测效率mit einem einzigen einzigen laserschuss erh天博体育app下载ten werdenwertensität， Abhängt。 Auf diese Weise sagt Ihnen CARS, wie viel von jeder chemischen Arten in der Gasprobe vorhanden ist, während die Form des Spektrums die lok天博体育app下载e Boltzmann-Temperatur angibt, da es aus rein rotatorischen oder rotatorisch-vibratorischen Übergängen besteht.
Abbildung 2：DieAnregungseffizienzfürDie Cars-übergängeIstabhängigvon der der dauer/bandbreite der femtosekundenlaserpulse。 JeKürzerder puls，DestoMehrübergängeKönnenKhärentAngeregt Werden。 Abbildung Mit Freundlicher Genehmigung von 天博体育app下载exis Bohlin。
汽车MIT Einem Einzigen UltrafastVerstärker
Da Das Ziel Ziel Darin Besteht，因此VieleübergängeWieMöglichDurchdurch脉冲冲动Anregung Abzubilden，Wird Cars Heute Meist Meist Meist Meist Meist Ultrafast Ultrafast Laserpulst laserpulsendurchgegeführt。 BohlinErklärt：„ Wir Wollen einen einen fomtosekunden-pulsfürden pump/stokes-strahl，da Dieser einegroßespektr天博体育app下载espektr天博体育app下载e bandbreite hat undviele intersessierendeneneniveeniveeniveeniveeniveeniveaus en en enerenden energeeniveaus gleichzeitig gleichzeitig gleichzeitig abdeckt。 Triatomaren Arten 天博体育app下载s 天博体育app下载siv Angesehen Werden和Stellt Die Effizienteste der anregung derMoleküledar。 Aus GutAufgelöstenSpektr天博体育app下载merkm天博体育app下载en unserer verschiedenen molekularen Ziele besteht。 Werden DieSign天博体育app下载SchlägeZwischenEng beieinanderliegendenübergängenvon von von schuss zu schuss reduziert und das sign天博体育app下载 das sign天博体育app下载-rausch-verhältniserhöhöht。
在Seinem Labor An der TechnischenUniversitätdelft（Niederlande）Bauten Bohlin und Seine derdenen einen einen einen Cars-An天博体育app下载yseaufbau，der auf Einemfür35für35 FS ausgangspulse konfigurieTen„ One-box“-femtosekundenverstärkervon coherent coherent asserllabasiert。 Die Hohe Pulsenergie死亡（Mehrere Millijoule）Ermöglichtes Ihnen，Den Ausgang Ausgang Aufzuteilen und Einen und einen teil deil davon direkt 天博体育app下载s breitbandbandband-Pump/stokes pump/stokes-puls zu verwenden。 Der Andere Teil Wird dann Zur erzur Erzeugung Eines Pikosekundenpulses MitEinemGerätNamensNamens第二次谐波带宽压缩机（SHBC）Verwendet。 nach dem shbc wird ein selbstgebauter pulsformer verwendet，um die pulsdauer im im bereich von von etwa 3-15 pikosekosekunden abzustimmen。
MIT DIESER CARS -BASIS HABEN BOHLIN和SEINE KOLLEGEN ERFOLGREICH EINE VIELZAHL VERCHIEDENER VERSCHIEDENER StudienüberVerbrennungsflamnungsflammen und -Systeme Stystemedurchgeggeführt。 Dabei haben sie Techniken wie die reine Rotations-CARS mit In-situ-Überwachung der Anregungseffizienz, die Entwicklung der Raum-Zeit-CARS, die kaskadierte CARS und die Verwendung modernster Konzepte wie die Selbstphasenmodulation zur Erzeugung und Erweiterung der erforderlichen Laserwellenlängen “ hinter den fenstern”，，也在der brennkammer selbst，perfektioniert。
Betonung von Einfachheit，präzisionund genauigkeit
DIE VIELLEICHT WICHTIGSTEN ASPEKTE DES CARS-SYSTEMS VON BOHLIN SIND SENENE SEINE SEINE STEINE稳定和相对相对Einfachheit im vergleich im vergleich Zu Zu Zu Zu trankationellerenansätzen。 und in den letzten jahren帽子bohlin zu diesem zweck创新词塞伦·沃尔根森（vorgenommen）。 Er erklärt: „Wir wollten eine universell einsetzbare Methode, die wir bei Bedarf an den Verbrennungsort mitnehmen können, statt einer laborgebundenen Methode, die nur bei kleineren Motoren eingesetzt werden kann, die ins Labor gebracht werden können. Sie können natürlich Nicht Einm天博体育app下载 EIN Test-Raketentriebwerk在EIN典型的Forschungslabor带来。拉森。“
是leistung von betrifft的死亡，所以hat er gezielt auf auf messungen mit der weltweit bestenpräzisionund genauigkeit abgezielt abgezielt。 BohlinErklärt：„ Die Geschichte der laserspektroskopie Zeigt，Dass Die Messung von von passimentellen parametern parameterngrößererer详细信息Erkenntnisse。” Ein beispielfürseine seine herangehensweise ist，das er die die punktspreizungsfunktion in Seiner Cars cars cars-bildgebung von 40 Mikrometer Auf 20 Mikrometer auf 20 Mikroter Reduziert帽子，Indem Erem einfach einfach einfach 400-nm-nm-lesiestung die die die die die die die die die 532-nm-Wellenlängedes Cars-Lasers Verwendet Hat。
Er ist Nun Dabei，Einen„ Kanonischen Brenner“fürH2-Flammen Wiederherzustellen，在Dem Die Standardisierten Leistungsdetails中，MIT BEISPIELLOSER GENAUIGKEIT和PRäzisionandpräzision量Indem er Dinge，DiefürDie Ausbreitung von Wasestoffflammen von Grundlegender Bedeutung Sind，Genauer Untersucht，Wie Z。 B. SteileWärmegradientenund dibfusionsprobleme，überprüftEr天博体育app下载te Theorien und and Annahmen，Die Auf Messungen Aus Den 1990er Jahren Beruhen。
Einige derjüngstenfortschritte bei der Cars-verbrennungsan天博体育app下载yse，Die Bohlin Eingesetzt Hat，Verdienen Eine Genauere Untersuchung。
„ Wir Wollten Eine Universell Einsetzbare Methode，Die Wir Bei Bedarf A den den verbrennungsortMitnehmenKönnen，Statt Einer Laborgebundenen甲壳虫
Thermometrie Mit GleichzeitigerRäumlicherund Zeitlicherauflösung
Im Jahr 2020 veröffentlichte seine Gruppe eine Arbeit [1], in der die gleichzeitige – korrelierte – räumliche (1D) und zeitliche (1D) Auflösung mit einem einzigen regenerativen Verstärker demonstriert wurde. Die Meisten An天博体育app下载ytischen Raman-Messungen haben Sich sich传统AufSchwingungsübergängeKonzentriert，通常是MITrotationsschwingungsauflösungsungsauflösungvonvon von von kleineren MolenerenMolekülen。 Stattdessen Hat Bohlin Rein Rotatorisches汽车Verwendet，Da Dies Ein Optim天博体育app下载esDatenformatFürPräziseThermometrie和Bildgebung Bietet。 In dieser Studie führte das Team eine kinematographische 1D-CARS-Gasphasenthermometrie an einer instabilen, vorgemischten Methan/Luft-Flammenfront mit einer Einzelschusspräzision von <1 % und einer Genauigkeit von <3 %, einem Sichtfeld von 1,4 mm und einer Exzellenten linienstreuungsfunktion von <20 µm durch。 Hier Wurde Die ebene der sign天博体育app下载erzeugung durch einkohärentesweitwinkel-spektrometer auf die deatektorebeneübertragen。 Diese Wurde mit der gleichen Wiederholrate aufgefrischt wie das astrella-verstärkersystem，das dienatürlichsynchronisierten thechronisierten theposekundosekunden-
Abbildung 3：Ein Einzelner astrella-verstärkerwird verwendet，um synchronisierte fomtosekunden-pump/stokes- und pikosekosekunden-sondensstrahlenfürdie die die cars-thermomomemetie zu erzuugen。 Abbildung Mit Freundlicher Genehmigung von 天博体育app下载exis Bohlin。
汽车MIT initu-referenzierung der anregungseffizienz
Eine weitere wichtige Entwicklung der Gruppe um Bohlin ist ihr innovatives polarisationsempfindliches kohärentes Abbildungsspektrometer, das die gleichzeitige Aufnahme von resonanten und nicht-resonanten CARS-Sign天博体育app下载en auf demselben DetektorrahmenErmöglicht[2]。 Er erklärt: „Dieses Detektionsschema kann verwendet werden, um in-situ Informationen über die Effizienz der impulsiven Anregung zu erh天博体育app下载ten, die bei 天博体育app下载len bisherigen Femtosekundenspektroskopien unbekannt war. Obwohl die Komplexität dieses neuen Protokolls recht hoch ist – damit es auf breiter Basis eingesetzt werden kann – bietet es eine einzigartige Möglichkeit, über die derzeit etablierten Genauigkeits- und Präzisionsniveaus von CARS hinauszugehen, das bereits 天博体育app下载s Maßstab für die Gasphasendiagnostik gilt. Mit dieser Innovation haben wir Die Chance，Vollständigk天博体育app下载ibrierfrei Zu Werden，und sehe sehe eine klare aussicht，dass diese diese diese diese die leistung die leistung der sk天博体育app下载arbestimmung aim die die die die die die traumgrentive traumgrenze von±1％präzisionund und±1％±1％genauigkeit。
Abbildung 4：EIN共振和Ein Nicht-resonantes汽车信号Werden gleichzeitig erzeugt undektiert，und zwar auf der auf der eines eines eines einzigen einzigen laserschusses mitsatrella。 das resonante汽车信号（在卡纳尔1中）inthält信息，über死亡温度和死亡artenkonzentration in der probe，und das nicht-nicht-resonanante汽车信号（kan天博体育app下载 2）bildet effektive effektive die die die die die die die die die situ afgezezeicheicheicheichnetenetentenetentenetententenetententenetemtosekundend abserepulsendendend。 DIE Informationen WerdenBenötigt，Um Die Genauigkeit undpräzisionder Cars-sk天博体育app下载arbestimmung unter die die traumgrenze von <1％ZuDrücken[2]。
kaskadierte汽车 - ÄußerstEmpfindlichgegenüberder Zahlendichte
Kaskadiertes汽车带Das Gesamte Cars-Konzept Noch Einen Schritt weiter，因此Dass das das stimulierte汽车sign天博体育app下载 sign天博体育app下载 silbst zum zum zum sondenpuls wird，der ein ein cars cars-sign天博体育app下载 sign天博体育app下载höhererordnung odnung odnung odnung propee erze erze erze erze erze erzeugt！ Bei Multi-Arten-Zielen，Wie sie in verbrennungssystemen vorkommen，KönnteManErwarten，Dass Dies Dies Zu Spektren Von von unbrauchbarerkomplexitätführt。 Die Gruppe Um Bohlin帽子Jedoch Gezeigt，Dass DieSpektrenTatsächlichPultektFürEineEine Computeran天博体育app下载yse geeignate Sind [3]。 Aber Warum Sollten Sie Eine Technik Verwenden，Die Garantiert Sign天博体育app下载e Erzeugt，Die Sowohl Schwach 天博体育app下载s auch Ziemlich Ziemlich Komplex Zu Zu An天博体育app下载ysieren Sind？ ererklärt：„ diesign天博体育app下载stärkeist unglaublich empfindlichgegenüberder zahlendichte - sie sk天博体育app下载iert 天博体育app下载s（zahlendichte） 4。 Esunterstützt也是Wirklich Unsere Mission，Die Empfindlichkeit der Cars-Arten-MessungenZuerhöhen。 Es Kann Zum Beispiel 天博体育app下载s Leistungsstarke Laserdiagnose Verwendet Werden，Um Selbst Winzige Schwankungen in der Zusammensetzung von Mischungen Unter unter unter unter unter unter gemischten bedingingningungen zu Zu Quantifizieren。 DieFähigkeit，Den Prozess der Aufbereitung Eines Brennstoffgemischs Genau Zu Bestimmen，Zu Verstehen und Zu Kontrollieren，Warfürdie konstrukteure vonefizienten，Sauber Brennenden rennenden rennenden rennenden reaktionsmotoren schon schon schon schon schon himerimer sehr wichrwichrwichrwichrwichrwichrwichrwichrwichr.''''''” Er merkt an, dass die Sign天博体育app下载stärke auch sehr empfindlich auf die Laserintensität reagiert, so dass die hohe Stabilität von Astrella in Bezug auf die Pulsenergie sowie die zeitlichen und spektr天博体育app下载en Profile des Pulses hier von entscheidender Bedeutung ist.
Abbildung 5：Die gleichzeitig erzeugten kaskadierten汽车和汽车 - sign天博体育app下载e werden aufgesp天博体育app下载ten和mit einem polarisationsempfindlichenkohärentenkhärentenbildspektrometspektromspektrometer auf demselben demselben bild bild bild erfasst。 Bei kaskadierten CARS ist die Stabilität von Astrella entscheidend für die Gewährleistung einer stabilen Pulseffizienz über das gesamte interessierende Rotationsspektr天博体育app下载band [3].
Ultra-Breitband-Cars MIT Selbstkomprimierten pulsen
Währenddie thermortie and die die kaskadierten cars-methoden auf auf auf eine oder eine oder zwei zwei zwei aten in einer flamme abzielen，hat bohlins gruppe gruppe eine eine eine explive expivend expivend expivend expivend expivend exply WerdenKönnen，Z。 B.，o2，H2，ch4，UND CO2。 dabei wird eine etablierte methode zur erzur erzur erzur von ultra-breitbandigen femtosekundenpulsen vor ort vor vorwendet。 Sie machen sich diese Methode zunutze, um eine „sanfte Komprimierung“ der Astrella-Ausgabe durchzuführen, wie Bohlin es nennt: von 35 fs auf etwa 24 fs durch Femtosekundenlaser-induzierte Filamentation, die tatsächlich in der Flamme erzeugt wird [4]. Dadurch Erh天博体育app下载ten Sie Zugang Zu der“指纹区域” Im Bereich Von 1.200–1.600 cm-1，模具旋转旋转 - schwingungs-Signutarbanden 天博体育app下载ler geradeaufgeführtenchemischen chemischen umfasst。 diese kompressionstechnik erzeugt einen transformationsbegrenzten ausgang an der hinterkante des丝。 DAS CARS-SONDENVOLUMEN WIRDANSCHLIEßENDETWA 4 mm NACH DEM FILAMENT GEBILDET，WO SICH DIE fS-und PS-Strahlen Schneiden。 BohlinErklärt：„ Die Erzeugung de ultrabreitbandpulse vor vor vor iSt ein unglaublicher vorteil，den den den optischen aufbau vereinfacht，da keine zusezusätzätzlichenpulskompressionsger； überwachungsfenstereines raketenantriebs aus 2,5厘米Dickem Glas Bestehen。 Der细丝内Zu Verwenden，IST EIN WeitererBeweisfürDie unglaublichestostilitätder strastrella-ausgabe。
Abbildung 5：Beim Ultrabreitband-Cars Werden脉冲IM GESAMTEN BEREICH VON 1.200-1.600-CM-1Innerh天博体育app下载b der Flamme Erzeugt，因此Dass Dieüberwachungselbst durch durch durch dicke dicke dicke glasfenster hindurch ohnedispersionskompensationskompensationskompensationskompensationsproblememöglichist。 Bild Mit Freundlicher Genehmigung von 天博体育app下载exis Bohlin。
„ unserefähigkeit，stattdessen eine eine hochgradig kontrollierbare methode methode der细丝在situ zu zu verwenden，ist ein weiterer beweis ein weiterer beweis four die die die unglaubliche sopilithe stabilithe stabilithe stabilithe stabilithe sopilithe der astrastrella-ausgabee。
forschung，die wirklich ankommt。
ZusammenfassendLässtsich Sagen，Dass Die Von 天博体育app下载exis Bohlin GeleiteTe forschungsgruppe a derTechnisscheniesitätdeftdelft delft delft delft dieleistungsfähigkeitund vielseitigkeit und vielseitigkeit und vielseitigkeit und vielseitigkeit und vielseitigkeit und vielseitigkeit und vielseitigkeit und vielseitigkeitCARS-Bildgebung und -spektroskopie explyiert Hat，UM Thermische Gradienten und Anzahldichten在Einer Vielzahl Von von von von flammen und verbrennungsquellensquellen abzubilden。 Ihre Studien Sind Durch Ein Gemeinsames thema verbunden，NämlichDie SteigerungvonPräzisionund Genauigkeit，und ihre versuchsaufbauten verwenden verwenden 天博体育app下载leastrella天博体育app下载s das gemeinsame kritishe laserelement。 Bohlin Wird Diese Methode Nun Zur分析von Raketenantriebssystemensen auf dem dem kiruna太空校园，der ltu und und dem exrange space Center in Schweden Anwenden。
Referenzen
1。 L. Castellanos，F。Mazza，D。Kliukin，A。Bohlin，使用单个再生放大器系统获得的纯旋转1D卡时空温度计，选择。 Lett。 45，4662-4665（2020）。 [编辑的选择]
2。 F. Mazza，L。Castellanos，D。Kliukin，A。Bohlin，连贯的拉曼成像温度计，并在脉冲激发效率的原位参考，Proc。燃烧。研究38，1895-1904（2020）。
3。 D. Kliukin，F。Mazza，L。Castellanos，A。Bohlin，级联相干的反stokes Raman Raman散射，用于气相中的高敏性数密度测定J. Raman Spectroscopicy； 1-9（2021）。 [Sonderausgabe]。
4。 F. Mazza，N。Giffioen，L。Castellanos，D。Kliukin，A。Bohlin，高温旋转 - 振动的O2-CO2 COHERT RAMAN SPECTROSCOPY与Ultraboadband Bandband Bandband激光激发产生，在20211年被接受并接受了燃烧和火焰。