研究人员使用一种新颖的近红外光成像技术来捕获商用喷气发动机排气羽流中二氧化碳的第一个横截面图像。这项新的先进技术可以帮助加速涡轮机燃烧研究，旨在开发更环保的发动机和航空燃料。

“这种方法，我们称之为化学物质层析成像，为大型商业发动机的二氧化碳排放提供了实时空间解析的信息，”来自英国斯特拉斯克莱德大学的研究团队负责人MichaelLengden说，“这些信息以前在这个工业规模上是无法获得的，是对当前行业标准排放测量的一大改进，这涉及将气体从废气中带到不同位置的气体分析仪系统。

研究人员报告了应用光学的新研究。化学物质层析成像的工作原理与医学中使用的基于X射线的CT扫描非常相似，除了它使用调谐到目标分子吸收波长的近红外激光，并且需要非常快的成像速度来捕获燃烧的动态过程。

“航空业是全球二氧化碳排放的主要贡献者，因此需要从根本上改善涡轮机和燃料技术，”Lengden说。“通过提供经过充分验证的排放测量，我们的新方法可以帮助该行业开发新技术，减少航空对环境的影响。

飞机发动机的成像发射

到目前为止，在包含大型飞机发动机的试验台上不可能对涡轮机燃烧进行成像。为了解决这个问题，英国的四个仪器研究小组聚集在一起，将他们在恶劣环境中的气体物种测量，化学物质层析成像和光源开发方面的知识结合起来。这些团队与工业合作伙伴合作开发对工业研究和开发实用的技术。

“这些团队看到了为航空航天业开发世界领先的仪器的机会，并了解大型发动机的排放和性能改进，”Lengden说。“通过化学物质层析成像，我们现在可以开始'看到'真实生产飞机发动机中燃烧的化学细节。

研究人员使用他们的新化学物质层析成像装置来捕获商用飞机发动机排放的二氧化碳的第一张图像。在所有推力水平下，在发动机的中心区域都可以看到高二氧化碳浓度的环状结构。图片来源：阿比舍克·乌帕德亚伊，斯特拉斯克莱德大学

经过多年的努力，微调信噪比，数据采集方法，成像技术和光源，研究人员创建了第一个能够在大规模商用飞机发动机上获取工业排放测量值的设施。

为了进行化学物质层析成像，126束近红外激光以不干扰气流的方式从侧面的各个角度照射到气体中。要充分捕获商用飞机发动机的废气，需要对直径达1.8m的区域进行成像。为了捕捉这一点，成像组件安装在一个直径为7米的框架上，该框架距离发动机的出口喷嘴仅3米。研究人员使用126个光束在发动机排气的中心区域实现了约60毫米的空间分辨率。

“我们使用的非常精确的测量方法需要对二氧化碳光谱和提供非常精确数据的电子系统有一定的了解，”Lengden说。“此外，必须开发一种非常复杂的数学方法来计算我们使用的126个不同光束的测量吸收中的每个化学物质图像。

大规模捕获燃烧

研究人员使用这种大规模设置对现代劳斯莱斯遄达燃气发动机涡轮机中燃烧产生的二氧化碳进行化学物质层析成像。这些发动机通常用于长途飞机，并包含一个燃烧室，其中有18个喷油器，排列成一个圆圈。在测试中，研究人员以1.25Hz和0.3125Hz的帧速率记录数据，而发动机在整个推力范围内运行。

由此产生的图像显示，在所有推力水平下，发动机的中心区域都存在高二氧化碳浓度的环形结构。在羽流的中间还有一个凸起的区域，这可能是由于发动机的形状。

研究人员现在正致力于调整新仪器，以便能够对航空航天和工业发电部门涡轮机燃烧产生的其他化学物质进行定量测量和成像，并捕获温度图像。这将使开发新涡轮机和燃料的工程师和科学家能够更好地了解当前和未来技术的燃烧过程。