本研究建设的空间站燃烧实验地面研究平台(空间燃烧科学与应用平台)建设的思路与原则包括：1) 使平台具备与在轨实验装置相同的实验包络尺寸，以初步验证培育项目的可行性以及工效学设计；2) 基于在轨燃烧柜在实验和燃烧诊断方面功能[11]，结合地面实验优势，建设较高配置的实验平台，形成天地实验装置交互验证的功能；3) 基于当前空间燃烧科学实验规划，建设气体、液体、固体三种燃烧实验的通用平台，并预留软硬件升级空间。
1) 多相、非均相燃烧与液体雾化，液滴/颗粒碰撞混合规律，相关燃烧机理及模型构建与验证；
2) 碳烟等污染物的形成与控制机理；
3) 火焰/等离子体材料合成；
4) 多场耦合下的火焰结构及燃烧稳定；
5) 近极限条件下点火、熄火和火焰传播，催化、等离子体辅助燃烧；
6) 高能推进剂/燃料燃烧特性；
7) 材料着火、燃烧及产物生成特性；
8) 烟雾粒子输运特性及火焰演化规律。
此外，通过在该平台开展系统性、全面性实验，可进一步提炼科学问题，优化空间实验设计，从而提高空间燃烧实验的前沿性和创新性，推动中国地面与空间的燃烧科学基础研究。
本文从平台建设的目标和具体技术指标出发，阐述了空间燃烧科学与应用平台重要子系统的设计和工作原理，以及初步测试结果与后续升级能力。
1 平台功能与技术指标
1.1 通用功能
为满足未开展的多种空间燃烧科学实验的需求，该平台应具备进行多种地面燃烧实验的功能，除了满足基本的实验环境气体配气、排气净化、供电、信号控制、燃料储存等，针对燃烧实验本身，应该具备在密闭腔体中进行低于3×105 Pa的不同压力工况[11]和不同燃料种类的燃烧实验的能力。这些燃烧实验装置需满足密闭腔体的尺寸包络要求，且与空间站燃烧实验的功能和工况要求一致。此外，由于空间站燃烧实验数据大多来自光学诊断结果，地面实验平台应配置相应的高速摄像和激光诊断功能，并具有与在轨的燃烧科学实验柜一致的工作距离。地面燃烧实验的光学诊断参数和速度测量形式应优于在轨装置。因此，该平台应能够实现密闭腔体中燃烧实验环境气体的配气和排气控制、燃烧实验进程相关所有部件的自动控制以及燃烧实验进程所需对火焰形貌、流场速度、组分测量相关的燃烧诊断和数据分析与存储功能。
1.2 重要技术指标
基于上述通用技术要求，结合在轨燃烧实验柜的能力和具体参数[11]，总结出平台设计重要技术指标。
1) 具备提供综合性燃烧实验环境的能力，至少支持气体、固体和液体3类燃料的燃烧实验需求；
2) 拍摄帧率在20 000 fps条件下，形貌测量优于1024×1024像素；
3) 最大流速测量不小于10 m/s，分辨率优于5%FS；
4) 实验插件具备点火、燃烧器安装、环境条件测量、热辐射测量、观察光窗、过滤窗、用户接口等功能；
5) 具备实验插件及燃烧室方向可调节及定位的功能，可根据实验需求调整火焰或燃烧方向；
6) 具有对实验过程的压力、温度、排气等进行实时数据检测和燃烧过程实时视频监测的能力，并具备超限报警和紧急处理功能；
7) 可为用户提供不小于2路24 V、6路12 V和3路5 V的供电，平均供电功耗≥150 W，峰值总功耗不小于520 W；
8) 可为用户提供不少于8路RS485和2路以太网的信息接口；
9) 可提供1路液冷散热，散热能力≥300 W，温度测量范围0~40 ℃；
10) 光窗数量为8个，要求布局位置和精度与光学诊断设备和火焰位置相匹配，并可更换；
11) 点火装置功率可控(功率不小于10 W)、位置可移动(控制精度≤1 mm)；
12) 具备实时视频监控燃烧区域的能力，最高帧率≥200 fps，像素不小于1 280像素×1 024像素。
2 系统设计及工作原理
2.1 系统设计
基于平台的通用功能和技术指标，在设计阶段将其划分为3个子系统，如图 1所示，分别是实验插件、燃烧支持子系统和燃烧诊断子系统。
各子系统的控制策略结合了手动控制和电控2种方式，既保证了各设备的模块化独立功能，又满足了联动控制需求，例如实验插件的工控机操作台(电控柜)可实现控制功能和时序的自动化执行功能，可实现实验插件内部所有装置进行时序操控；同时，燃烧支持子系统的质量流量控制器参数也可由电控柜控制自动化工作；电控柜可对外输出晶体管-晶体管逻辑电平(transistor-transistor logic，TTL)触发信号，用于联动燃烧诊断设备进行指定时间的图像采集；电控柜具有采集和存储功能，可记录设备的执行情况和实际运作的状态，包括多路气体流量、点火功率和温度压力传感器数值等，此部分功能与在轨燃烧柜的功能类似。
燃烧支持子系统的气体浓度报警、真空排气、供电与数据存储、环控模块等均是独立工作的单机模块，无联动需求。各模块在手动启动后，可按预定程序自动运行，以满足实验需求。
燃烧诊断子系统的高速相机、激光器、热式风速单元等，采用2台工作站进行控制和数据采集分析，实现设备的状态设置、采集等功能；由同步器配合电控柜TTL信号输出，协同完成诊断拍摄任务。因此，对各设备状态进行手动设置后，由电控柜执行具体实验流程，自动完成实验。
2.2 实验插件
实验插件是燃烧过程进行的主要场所，同时，根据不同燃料类型(气、固、液)所对应的实验需求提供专门的燃料部署、点火和监控手段，在燃烧室密闭腔体中为具体实验设备及样品提供机、电、热等支持接口。实验插件由插件通用装置、气体实验插件、液体实验插件、固体实验插件组成。
2.2.1 插件通用装置
插件通用装置为气体、液体和固体实验插件的通用功能提供资源支持，主要包括插件外部的密封燃烧室、燃烧室悬吊装置(龙门吊)、燃烧室内的广角相机、LED光源、热辐射计、热电偶、冷却回路以及燃烧器共用底座等资源。
燃烧室内部最大包络尺寸≥Ø500 mm×700 mm，与在轨燃烧室一致。所有燃烧室内部的通用装置以及实验插件搭建在燃烧室底部的M6 (光学平板通用间距为25 mm×25 mm)的机械接口上。所有水、电、气等资源由燃烧室下方的连接环提供，包括了四路耐压航插(1只MX33-26、3只MX33-31)用于供电和信号通信，4路气体管路(DN4)用于燃烧、氧化剂、稀释剂、惰性气体的进气，2路水冷管(DN8)用于一路热控冷却水的进出。
筒体上方的法兰结构使用的24个螺钉与上盖法兰固定，筒体周向具有8个均布的石英光窗，在200~900 nm波长范围的通过率超过90%，适用于粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)技术(使用的脉冲和连续激光波长为532 nm)以及平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)技术，主要检测的自由基为NO、OH和CH，NO的分子荧光波长为248 nm，OH自由基为387 nm，CH自由基为440 nm。整体腔体设计可耐压至1 MPa，主要薄弱部分在石英窗口，采用厚度25 mm的石英玻璃可满足强度要求，且筒体、上下盖、窗口法兰厚度和密封形式等设计符合压力容器设计标准，材料为304不锈钢，壁厚15 mm。筒体上方的法兰外部设有4个对称的吊耳，可使用龙门吊将筒体和上盖作为一个整体吊离底板所在位置，利于在燃烧室底部光学平板搭建实验插件和测试。龙门吊实物如图 3所示。
燃烧室的腔体侧壁和上下底面的机械接口(同光学平板间距与尺寸的螺孔)可用于搭建通用实验装置和用户实验单元，如图 4所示，布置了实验插件的通用支持资源，包括广角相机、LED、热辐射计、热电偶和冷板、过滤收集装置及燃烧器共用平台等装置，可提供气、液、电等实验资源，实现基础燃烧环境与火焰的监视与诊断功能。
其中，过滤收集装置采用与在轨装置一致的2 μm过滤片，安装位置与燃烧中心管口同心，过滤片上表面距离燃烧器安装面约329 mm，与在轨装置状态一致，实现过滤收集的功能。未来也可布置热电偶，确认燃烧器火焰对插件末端温升的影响。
内部广角相机用于提供实时燃烧室内的图像，选用体积较小且能保证精度的DALSA G3-GC10-C1280，镜头为VS Technology公司的VS-0620VM型号的小型CCTV镜头，焦距为6 mm，最大光圈为f/2, 最小视场角度为48.4°。广角相机模块中的反射镜为Edmund Optics公司N-BK-7-S1型号40 mm规格的表面镀银正交镜，可用于400~1 000 nm的波长范围(包含可见光波长400~700 nm)。镜面安装至结构底座，采用胶粘和结构限位的方式固定，具有较好的力学特性。通过固定结构的设计，广角相机、镜头、反射镜将作为一个整体组件(与在轨装置一致)安装至相机支座，固定在燃烧室的内部，用于实时观测燃烧实验过程中燃烧室内部的情况。具体设计如图 5所示。
LED光源在燃烧实验插件上主要用来提供燃烧室密封之后(黑暗环境)的照明，以便内部广角相机采集影像。根据燃烧室的大小选择MISUMI公司的LEDV-90W型号产品，与在轨装置一致。长度为110 mm，使用温度范围在-20~45 ℃，配光角度为120°。该LED发出白光，0.5 m处照度为150 lx，相当于6 W的日光灯照度，可以满足照明需要。LED光源在插件通用装置中的安装设计如图 6所示。
采用与在轨装置一致的Dexter ST150型单通道硅基热辐射计，具有快速的热冲击响应、良好的线性输出信号和较高的信噪比。该热辐射计采用金属半导体标准封装(TO-5)，封装气体选用氮气，封装表面选用满足宽带波通范围(0.15~2.70 μm) 的UV石英玻璃。
热辐射计通过燃烧室内部的信号转换模块，将转换后的数字信号通过航插传出燃烧室，再由外部的采集系统进行采集。热辐射计通过如图 7所示的结构设计将视场对准火焰位置。
为满足燃烧过程环境和火焰的温度测量范围达到300~1 800 K的要求，选用Omega的K型(-200~1 250 ℃)和B型(0~1 700 ℃)热电偶，在燃烧室内部通过支架的形式进行布置。热电偶的信号将在燃烧室内部使用MAXIM 31856模块进行数字信号转换，再将数字信号通过航插传至燃烧室外进行记录。热电偶整体结构将安装在腔体底座上，测量位置与首次发射入轨的热电偶类似，具体设计如图 8所示。
燃烧室内部的环境压力测量采用Omega牌PX409-150A5V型的压力传感器，测量范围为0~1 MPa的绝压，满足(0.2~3.0)×105 Pa的压力测量需求，与在轨型号一致。通过底部连接环在燃烧室进行安装，采集装置位于燃烧室外部。
插件通用装置中的冷却板能够从连接环的水冷出入口连接外部水冷机，冷却板设置于燃烧器底座下方，型号为JY1F230605283，通过光学支杆与燃烧室固定，同时可提供燃烧器共用平台的结构支撑。
冷却系统从连接环开始，与乙二醇冷却液接触的管壁金属材料皆选用不锈钢，燃烧室内使用的软管材料为聚四氟乙烯，与乙二醇水溶液具有较好的相容性，具体结构和安装设计如图 9所示。
插件通用装置中的燃烧器共用平台安装于冷板上方，如图 9所示。此燃烧器共用平台将燃烧室底部连接环的燃烧剂、氧化剂、稀释剂、惰性剂等气体资源引入到燃烧装置底部，用于与气体实验插件和固体实验插件的燃烧装置对接，保证支持包络尺寸为长≤68 mm、宽≤60 mm、高≤161 mm的燃烧器实验。该设计尺寸与在轨状态一致。
2.2.2 气体实验插件
插件通用装置在燃烧室中提供了基础平台和环境监控(包括温度、压力、热辐射等参数及视频数据)，并且燃烧室能满足(0.2~3.0)×105 Pa的环境压力需求，气体实验插件在插件通用装置的基础上，针对气体燃烧科学实验提供了一个可更换的PIV燃烧器和一个点火机构，形成与在轨实验一致的功能[11, 17-19]。PIV燃烧器由中心管和同流管组成，安装在燃烧器底座上，可通过燃烧剂和氧化剂在两管中的配比形成3种不同火焰形式：1) 预混火焰：中心管喷射燃料与氧化剂混合物；2) 扩散火焰：中心管只喷射燃料，而燃料通过与环境空气反应形成火焰；3) 部分预混火焰：中心管和同流管具有不同配比的燃料与稀释后的氧化剂，在空间中形成不同当量比的预混火焰，而未燃烧完的燃料与环境空气形成扩散火焰。PIV燃烧器具备PIV粒子播撒功能，通过2个电磁阀的开关使气流通过PIV粒子储箱实现。此燃烧器的设计与在轨首发燃烧器一致[19]。
燃烧器形成的火焰在高度上与燃烧室光窗中心对齐，位于燃烧室中央位置，支持的燃烧空间尺寸至少为直径10 mm，高度10 mm。火焰由点火头点燃，能通过调压模块对电热丝进行10 W以内(电阻约为1 Ω，电流1~10 A可调)的功率调整。点火头设计与在轨一致，由Kanthal A-F 0.2 mm电热丝、导电金属(不锈钢)、公端子以及外部的绝缘材料构成，如图 10所示。
点火成功后，电热丝将撤离火焰区。此部分设计与在轨不同，采用ULN2003型步进电机驱动模块，驱动28BJY-48型步进电机(5线4相，5 V)，将点火头进行180°旋转以实现撤离功能。
2.2.3 液体实验插件
搭配插件通用装置提供的燃烧腔体、广角相机、水、电、气等资源，此插件中具有液体燃烧储箱、液滴发生装置、位移台、液滴悬挂装置以及液滴点火装置，液滴发生装置将燃料储箱内的液体燃料挤压喷出到液滴悬挂装置上，通过位移台调整液滴喷射位置，以便于悬挂装置更精准地俘获液滴，使用电热丝(≥10 W)在液滴两侧对称加热完成点火，点火成功后，使用电磁机构自动缩回2个点火头。上述整体设计参考地面的微重力高压液滴燃烧实验，具体设计如图 13所示。
液体燃料储箱容积约40 mL，用于储存并供给不同的燃料液体。架设位置需使燃料液面略高于液滴喷嘴，使用Teflon管与液滴发生器的腔体连接。储箱上方开有2 mm的压力平衡口，用于在不同环境压力条件下维持内、外压平衡。储箱采用扁方长型结构并布置在2个光窗的中间位置，可有效降低对外部诊断设备光路的影响。
液滴发生器由多个加工件组成，包括底座用于提供电压信号的接地和蜂鸣片支撑结构[27]。将直径35 mm的蜂鸣片安装至底座后，通过上盖的密封圈与蜂鸣片配合形成腔体密封。液体从储液箱内通过导管进入液滴发生腔，上盖用于安装喷嘴，喷嘴的流体管道截面积为逐渐缩小的设计，用于加速液滴的喷射。蜂鸣片采用压电材料，通过燃烧腔体底座连接环提供的可调式脉冲电压信号触发振动。当腔体充满液体燃料时，蜂鸣片的振动可瞬时压缩液滴发生器腔体体积，导致液滴从喷嘴发射。通过调整脉冲电压的幅值实现不同的形变，满足不同黏度液体喷射至液滴悬挂装置的需求。与液体燃料接触的材料包括黄铜、Teflon、全氟醚橡胶、玻璃等，具有良好的相容性。
位移台安装于液滴发生器下方，通过2个步进电机(与本平台气体插件相同，使用电机型号为28BJY-48，驱动器型号为ULN2003)的旋转分别控制液滴发生器在X和Y方向的偏移，达到调整液滴喷射方向的目的。
液体实验插件可在不拆除上述燃烧器共用平台的状态下，采用4个M6光学支杆固定安装于冷板上方，组件布置均避开外部诊断设备的光路，处于2个光窗的中心或观测区域的下方，保证了诊断设备的效果，产品支持单液滴和多液滴燃烧实验研究。图 15展示了液滴实验插件安装时与周围部件的相对位置情况。
2.2.4 固体实验插件
当前主流的微重力固体燃烧实验需要外部层流流场控制以及顺流和逆流火焰传播，需要使用插件通用装置的资源，并在燃烧腔体底座搭建层流喷气装置、固体材料样本支架以及点火电热丝导线。
点火丝预埋在样品表面，作为固体样品的一部分，将通过连接器使用燃烧腔体连接环提供的10 W可调点火功率，此设计可用于不同形貌的固体材料点火。样本固定装置与层流喷气装置之间的燃烧空间允许火焰传播，该空间尺寸为长10 mm、宽10 mm、高10 mm，便于观测。预留接口使用步进电机(与气体插件相同，使用电机型号为28BJY-48，驱动器型号为ULN2003)移动样本，实现对更大燃烧区域的观测。在层流喷气方向不变的情况下，支架将带有点火丝的固体样品以正、反2种方式部署于喷气气流中，以实现每种样品的顺流和逆流燃烧实验模式。
参考国际空间站固体燃料点火和熄灭Solid Fuel Ignition and Extinction(SoFIE)项目对片状、柱状、导线和球状材料的火焰传播科学实验，进行了样本支架的设计，如图 16所示。
层流喷气装置搭建于与气体实验插件共用的燃烧器共用平台，可提供特定氧气浓度的氧化剂气体(例如：空气)，通过层流喷气装置中的流道与蜂窝结构在出口形成理想的层流气流，提供固体材料燃烧的环境气流。图 17展示了层流喷气装置与样品夹持装置安装配合的情况。
固体材料样本支架通过1个紧定螺钉固定于层流喷气装置顶部，样品夹持机构设置了夹持对中观察孔，方便安装定位，避免与外部诊断相机光路干涉；样品与点火电热丝集成，采用P20-2型航插连接至腔体内的航插头，外部由电控柜控制点火时间与功率。固体实验插件主要部件在燃烧室中的安装如图 18所示。
2.3 燃烧支持子系统
燃烧支持子系统用于支持实验插件和燃烧诊断子系统在实验室中的所需资源，包括2个系统的气体储存与供应、燃烧气体排放、排气净化、信号控制与采集、供电与数据存储、环控、结构支撑和实验样品储存柜。
气体储存及供给单元在实验室左右两边分别设置了燃料和氧化剂气瓶柜，气瓶柜可容纳不少于3个气瓶(气瓶容积≥40 L，压力≥15 MPa)，支持燃料、氮气、氧气和惰性剂气瓶的使用。通过铝型材搭建的吊顶桁架固定所有气体输送的不锈钢管路，在实验台附近规划气体操作面板，面板上设有6个气体专属的减压阀(可减压至5×105 Pa及以下)、截止阀、回火阀等，并在气瓶柜和实验区设有氧气浓度探测报警器。
燃料气瓶柜和氧化剂气瓶柜的气体配送至实验室中央的实验台附近，按照气体实验插件对气体配比的最大需求进行质量流量计的选购，液体实验插件和固体实验插件只需要环境气体的配气。基于此，选用与在轨流量控制器一致的Alicat牌质量流量控制器，包括2个燃料质量流量控制器(0~1 L/min，抗腐蚀，型号MCS-B-1-S-CJ-SA-VN-R4-C4-9-FV-040)；2个氧化剂质量流量控制器(0~5 L/min，型号MC-B-5-S-CJ-SA-VN-R4-C4-9-FV-040)；3个稀释剂质量流量控制器(0~10 L/min，型号MC-B-10-S-CJ-SA-VN-R4-C4-9-FV-040)；2个惰性剂质量流量控制器(0~5 L/min，型号MC-B-5-S-CJ-SA-VN-R4-C4-9-FV-040)。这些质量流量控制器分别将每路气体分为多路控制流量，混气之后穿过燃烧腔体底座的连接环气路接口，最终为实验插件提供3路混气：燃烧器中心气路；燃烧器同流气路；环境气路。其中气体实验插件三路皆使用；液体实验插件只使用环境气路；固体实验插件使用环境气路预填充燃烧环境气体，使用燃烧器同流气路提供顺流和逆流点火实验所需的气体流动。图 19平台气路与质量流量控制器的气路原理图。
燃烧排放装置设计在实验室的大楼顶层安装风机，将排风管道直通实验室天花板，采用吊顶布置排气管道，使用可调式万向罩收集燃烧腔体排出(和真空泵排出)的气体。排气管道可承受的排气入口温度范围：20~40 ℃；排气工作压力：0.2~3 MPa；风机可达排气气体流量：10标准升每分钟(standard liter per minute，SLM)；排气气路入口位于燃烧腔体顶盖附近，设置有截止阀，燃烧压力罐的出口设置有手动截止阀，真空泵(Edwards RV-12型油旋片真空泵)由PLC触摸屏控制系统进行控制，可以实现可控的负压实验环境营造和真空排气的功能。在燃烧排气管道的万向罩上方，设有颗粒物净化专用的滤芯(型号GL200-XF)，能满足颗粒物过滤能力≥100 μm，净化气体量3SLM的基本要求。
环控模块用于为燃烧室内部回路提供循环水冷散热能力，配置了Polyscience品牌的Durachill CA10型水冷机，制冷量为3 000 W(20 ℃下)，温度控制范围为-20~40 ℃，能够满足总散热能力≥2 000 W、流量控制范围0~120 L/h、温度控制范围-20~40 ℃的技术要求。
所有燃烧实验装置以及燃烧诊断子系统搭建于光学桌面上，其中通过实验插件中的插件通用装置燃烧腔体实现支持实验插件相关装置搭建容积≥135 L(参考：直径500 mm×高度700 mm)的要求，采用卓立汉光仪器有限公司生产的2 m×1.5 m的2个激光光学隔振平台(光学桌)(型号SRP20-15-E23)满足诊断设备承重能力100 kg及诊断设备安装区域范围在2 000 mm×1 500 mm内的要求。
由于燃烧室腔体总重量约为700 kg，且高度需要与龙门吊的最高高度进行适配，按照高度和承重需求定制了WM-1613光学平台支架，能使光学桌高度低至50 cm(比激光使用的光学桌略低)，避免龙门吊起吊燃烧室筒体时和燃烧室内部的插件装置产生干涉，因此能顺利将燃烧室筒体吊至光学桌另一端，实现不同实验插件和燃烧室内部装置升级的功能。通过在光学桌上的燃烧腔体周围预留搭建空间，可支持诊断设备8个安装工位，并支持诊断设备在25 mm×25 mm的M6标准螺孔安装，能达到安装精度优于0.1 mm的要求。燃烧室与所使用的定制高度光学桌搭配关系如图 20所示，最下方为光学桌，红色部分为插件装置，蓝色部分为燃烧室筒体。
本平台的固体燃料样本存储柜采用勤卓环境测试设备有限公司生产的恒温恒湿箱，可满足温度控制范围0~50 ℃，湿度控制范围为1%~60%(通过干燥氮气控制湿度)，固体燃料样本储存空间≥50 L，具有防爆功能等需求。液体燃料试剂储存柜采用中伟新材料股份有限公司生产的试剂防爆柜，具有约83 L的内容积，能满足储存50 L碳氢液体燃料的需求，材料为冷轧钢板，具有双层防火结构、绝缘防腐喷漆和防火通风口，设有静电接地端口，内部的镀锌层板可依照药品瓶高度进行灵活调整。
燃烧室环境温度、压力和各个插件装置的控制与采集控制由电控柜实现，系统由显示屏、工控机、可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)、程控电源、数据采集模块和机箱等组成，PLC采集压力传感器、热辐射计等信号通过以太网和工控机进行交互，并通过显示器显示。电控柜的供电、采集、信号等功能均通过航空插头实现。激光器和相机的客户端电脑，不仅可以控制设备，同时可实现数据采集、数据存储功能，并能通过华为牌S5735S-L12P4S-QA2型的12口交换机，可满足5套终端设备需求，另配置不断电设备(uninterruptible power supply，UPS)，保障设备稳定运行。
本平台使用的软件包括电控柜中工控机的自研软件以及燃烧诊断子系统中其他原厂的相机或激光器控制软件。自研的功能测试软件包括：I/O口(输入/输出端口)供电控制程序、步进电机控制程序、热电偶测温程序、点火支持及液滴发生控制程序、内部电流传感器程序、压力传感器与热辐射计采集程序、质量流量计控制程序、时序流程控制设置程序。通过集成控制软件将功能测试软件中的功能统一集成到同一面板，具备功能如下：
1) 支持实时控制：包括电控柜供电(5 V，12 V，24 V供电)，设定电机旋转方向及角度，设定点火电流，设定用于液滴发生装置的可变占空比的方波信号，控制LED、液体插件电磁锁和气体插件电磁阀的开关，控制TTL触发信号，设定各质量流量控制器的气体种类和控制流量；
2) 支持实时数据显示并存储记录：热电偶测量温度，电控柜供电电流(5 V，12 V，24 V供电)，点火实际电流、电压、功率，燃烧腔体内压力，热辐射温度/热辐射强度，各质量流量控制器实际流量；
3) 支持装订实验流程，显示实验流程完成情况，并通过TTL触发，实现与燃烧诊断系统同步。
电控柜能完成的典型装订实验流程如下：
1) 0 s，流量计A设置气体为甲烷、流量计C设置气体为氮气；
2) 2.0 s，流量计A设置流量0.100 SLPM(stard liter per minute)并打开；
3) 4.0 s，使用TTL信号触发激光器或高速相机；
4) 4.5 s，点火头输出功率15 W持续1 s；
5) 5.0 s，步进电机以1.5 rad/s速度顺时针转动180°后停止；
6) 15.0 s，流量计A更改流量为0.160 SLPM；
7) 26.0 s，流量计A更改流量为0.016 SLPM；
8) 30.0 s，流量计C设置流量0.200 SLPM并打开；
9) 35.0 s，流量计A和流量计C设置流量为0 SLPM并关闭；
10) 36.0 s，步进电机以1.5 rad/s速度逆时针转动180°后停止。
实验过程中，程序显示流量控制器实际流量随时间变化；点火模块实际输出电压、电流、功率随时间变化，并在实验结束后存档记录。
2.4 燃烧诊断子系统
燃烧诊断子系统主要为燃烧室内发生的燃烧现象实现诊断功能，包括非接触式和接触式2类，非接触式诊断可通过光学手段对流场或火焰进行直接观察，而接触式诊断则需要探针或传感器探测收集实验环境的流场速度、温度和压力等信息。
与PIV功能相关的模块包括脉冲PIV激光模块、连续激光速度测量模块、PIV图像采集模块、PIV数据分析模块以及热式风速单元。其中连续激光速度测量模块包括了一组与在轨PIV连续激光器参数[11]相近的激光器(镭志威，532 nm，13 W)，而此地面平台还包括了双脉冲激光器(镭宝科技，Vlite-Hi-100，532 nm，100 Hz)和高速相机(Dantec品牌FlowSense FCX系列5M-124型号, 2 448像素×2 048像素，124 fps，最大拍摄重频为62 Hz)相关的PIV方案，能与在轨和地面连续激光器得到的PIV结果进行对比。PIV的激光通过光学器件形成片光，由指定光窗进入燃烧腔体的火焰区。
PIV示踪粒子为2 μm的氧化锆粒子，由气体实验插件中的PIV燃烧器播撒，在二维片光中形成粒子散射，并于90°的方向使用相机拍摄散射图像；由于脉冲激光能量较高，激光入口光窗对面的窗口放置遮光板，高速相机模块在此场景下应考虑不使用或转移到没有激光的位置使用。PIV图像采集模块采用与激光器频率匹配的相机，连续激光和脉冲激光这2种诊断方案可共用一台相机。燃烧支持子系统中的工作站安装了PIV分析软件Dantec Dynamic Studio 8.1，用于将粒子散射图像反演成二维的速度场信息。热式风速单元(大连航华科技公司生产)使用6通道热线温度标定的原理提取流场中的二维速度信息，可满足测量速度不小于10 m/s，测量精度优于最大测试值的1%等要求。作为连续和脉冲激光PIV方案的对比方案之一。与PIV功能相关的模块如图 22所示。
与PLIF相关的装置包括脉冲PLIF激光模块、PLIF图像采集模块和PLIF图像分析模块，如图 23所示。PLIF激光模块包括了一个灯泵脉冲激光器(Quantel Q-smart 850；850 mJ@1 064 nm的2倍频和3倍频型号，单脉冲具有430 mJ @532 nm，230 mJ @ 355 nm的能量)和一个染料激光器(QSCAN，2 400 L/mm)，能通过更换染料形成248、387和440 nm的脉冲激光，分别用于NO、OH和CH 3种自由基的激光诱导荧光。特定波段的脉冲激光通过光学组件形成平面片光之后进入火焰区后，火焰中相应的分子能被诱导出荧光，由90°方向的PLIF图像采集模块(Dantec FlowSense FCX 5M-124；像增强器(Lambert TRiCATT)；紫外镜头38A4277，并在光路中配有相应波长(248、387和440 nm)的滤光片进行采集。PLIF数据分析模块(Dantec Combustion LIF Dynamic Studio 8.1)能对PLIF图像进行分析，进一步得到火焰中相应分子相对浓度的信息。
3 代表性测试结果
3.1 气体射流火焰实验
气体实验插件具有通用气体射流火焰实验的功能，目前可通过燃烧器中心管和同流管不同配比的燃料气体、氧气、氮气等形成预混火焰、扩散火焰、部分预混火焰等3种以上的气体火焰形式，如图 24所示。当前的火焰形式满足主要功能要求，并能通过更换燃烧器实现不同的基础火焰形式。
3.2 单液滴和多液滴燃烧实验
液体实验插件能够通过液滴发生器位移台的控制以及挂丝交叉点的设置，形成单液滴和多液滴悬挂，通过液滴发射数量控制液滴尺寸为1~3 mm，并能够通过电热丝将不同形式的液滴点燃，满足主要功能要求，如图 25所示。
3.3 固体材料燃烧实验
固体实验插件具备整流装置，此装置可与插件通用装置直接对接得到气体供应资源。在整流装置上方可安装不同形式的固体样品夹持装置，包括用于线状、片状、柱状和球状4种，能实现构型多样的材料燃烧实验，并且能通过改变电热丝的点火位置，形成顺流和逆流点火2种实验模式，如图 26所示。
3.4 燃烧诊断
本平台建设的燃烧诊断子系统包括了PLIF和PIV以及其他流体测速、形貌测量、环境状态测量等功能，能够满足以下技术指标：1) 具备完善的测量和诊断手段，至少具有温度场、速度场、火焰传播速度、火焰形貌、火焰结构、中间组分光谱测量、碳烟浓度场测量和排气气相组分测量与诊断的功能；2) 具备光学诊断设备校标的功能；3) 具备对实验数据进行解析、显示和处理的能力，具有对燃烧实验进行图像快视的能力和快速分析应用数据并形成实验结果的能力。
基于在轨和地面的燃烧科学实验系统设计了能够达到10 m/s的相关地面流场测速系统，包括使用连续激光、双脉冲激光以及二维六通道热线风速仪等3种方法，图 31展示了使用双脉冲激光进行复杂流场(最高流速达10.491 m/s)的测试结果。
使用PLIF激光器配合高速相机可观测燃烧中间产物，例如OH自由基浓度分布情况。图 32以当期气体实验插件形成的层流扩散火焰为例，展示火焰中OH自由基的空间分布情况。此诊断设施能根据燃料种类和浓度测量不同燃烧过程的中间组分。为满足OH、CH、NO等自由基光谱测量要求，地面和在轨燃烧科学实验系统的OH、CH自由基像增强相机拍摄的图像可对比与印证。
因此，高速相机模块的数据经处理后可满足燃烧实验结果的定量和定性分析需求，实现PLIF和PIV以及其他流体测速、形貌测量、环境状态测量等功能，满足各类燃烧实验的通用需求。
4 基于未来研究需求的平台扩展性
本科学实验系统为桌面实验室实验系统，机械接口方案外部采用标准的光学平台，腔体内部沿用标准M6光学安装孔，可根据实验需要安装不同的设备；腔体的光窗可根据实验需求进行更换，支持红外热像仪等设备的使用，保证了后续升级的可能性；腔体的电气接口预留了1.5倍数量的供电与通信接口，可实现后续的电气功能升级；燃烧诊断等设备接口均采用冗余设计，例如同步器采用32路同步信号接口，可实现多设备同步功能等。基于此，将平台可实现的拓展功能总结如表 1所示。
表 1 空间燃烧科学与应用平台可实现的拓展能力 |
| 编号 | 拓展功能 | 拓展接口 | 研究类型 |
| 1 | 红外热像测量 | 1) 燃烧室可更换光窗； 2) 光学桌M6安装口 | 红外火焰测温 |
| 2 | 不同位置冷却功能 | 1) 通过燃烧腔内冷却水接口； 2) 不小于2 000 W的外接冷水机； | 燃烧器温度控制 |
| 3 | 碳烟三维浓度场测量 | 1) 光学桌M6安装口安装新增相机 2) 供电通过光学桌周边电源支持 3) 信号触发通过32口同步器 | 通过二维图像重构三维碳烟浓度场，进行天地对比 |
| 4 | PLIF更多组分测量 | 1) 燃烧室可更换光窗； 2) 通过更换染料激光器中的染料及光栅调制脉冲波长 3) 必要时需要升级泵源激光器倍频器 4) 升级像增强器或镜头 | 火焰中更多组分的PLIF诊断，例如：CH, CH2O, C3H6O, CO, CO2, C7H8 |
| 5 | 辐射加热器 | 1) 通过连接器MX33-31(C-X3)供电航插第28~31针升级高电流电源 | 固体材料燃烧辐射点火实验 |
| 6 | 激光点火 | 1) 燃烧室可更换光窗； 2) 光学桌M6安装口升级激光器(或使用现有连续激光器) | 燃料激光点火实验 |
| 7 | 火焰红外吸收光谱测量 | 1) 燃烧室可更换光窗； 2) 光学桌M6安装口升级激光器和探测器 | 气体火焰组分一维测量 |
| 8 | 高温高压实验 | 1) 通过连接器MX33-31(C-X3)供电航插第28~31针升级高电流电源 2) 通过连接器MX33-31(C-X1)信号航插第9~18针使用备用TTL触发信号 3) 通过连接器MX33-31(C-X4)供电航插第21~35针升级升举机构供电 4) 通过燃烧室内部机械接口安装升级插件 | 液滴/煤颗粒自着火实验 |
| 9 | 高压实验 | 1) 通过连接器MX33-31(C-X4)供电航插第21~35针液体插件信号控制 2) 通过连接器MX33-31(C-X1)信号航插第9~18针使用备用TTL触发信号 3) 通过燃烧室内部机械接口安装升级插件 | 液滴/煤颗粒高于3×105 Pa的室温燃烧实验 |
| 10 | 多场耦合实验 | 1) 通过连接器MX33-31(C-X3)供电航插第28~31针升级纳秒脉冲电源或高压变压电源 2) 通过连接器MX33-31(C-X1)信号航插第9~18针使用备用TTL触发信号 3) 通过连接器MX33-31(C-X4)供电航插第26~31针升级多场源信号控制 4) 通过燃烧室内部机械接口安装升级插件 | 声场、磁场、电场、等离子体与火焰交互实验 |
| 11 | 非燃烧室中进行的实验 | 1) 实验室预留升级空间 | 其他在轨不使用燃烧室的实验，例如：变重力柜实验、舱外载荷实验、SPUx4空间中的高能燃料燃烧实验 |
| 12 | 气相色谱质谱测量 | 1) 实验室预留升级空间 2) 通过现有气瓶柜供应燃料和惰性气体载气 3) 通过燃烧室排气口升级取样管路 | 燃料和燃烧产物组分测量 |
注：MX33-31为连接器编号，C-X1至C-X4为连接器编号，SPUx4为4U空间站标准模块。 |
5 结论
本文介绍了位于北京市怀柔区太空实验室地面基地的空间站燃烧实验地面研究平台(燃烧科学与应用平台)的设计与初步测试情况。主要结论如下：
1) 地面研究平台由实验插件子系统、燃烧支持子系统和燃烧诊断子系统组成，具备与在轨实验装置一致的实验包络尺寸与燃烧环境，确保天、地实验结果的可比性。通过实验插件子系统构建了通用的气体、液体和固体燃烧实验插件，确保不同燃烧类型实验需求，并预留了软硬件升级空间，为未来更多样化的实验提供支持。
2) 通过气体、液体和固体燃烧插件的测试，平台成功实现了多种火焰形式：气体燃烧通过调节燃料与氧化剂配比实现了预混火焰、扩散火焰和部分预混火焰等形式，液滴燃烧完成了单液滴和多液滴的悬挂与点火实验，固体燃烧则模拟了不同材料的顺流和逆流点火行为，验证了平台的设计稳定性和实验功能。
3) 燃烧诊断子系统能够顺利实现火焰形貌测量、流速测量和燃烧中间产物诊断等功能。通过高速相机的高帧率拍摄，系统能够捕捉到火焰的精细形态变化，包括火焰的传播、结构演变以及熄灭过程；热线风速仪和粒子图像测速装置提供了流场的详细速度分布；平面激光诱导荧光装置可以对火焰中的OH、CH、NO等关键自由基和中间产物的空间分布进行精确诊断，支持对燃烧反应机理的深入探索。燃烧诊断子系统可以捕捉火焰振荡不稳定性，验证了子系统的精度和功能可靠性。
综上，本文所介绍的空间燃烧科学与应用平台具备开展燃烧实验所需的完善设施，能够支持系统性、全面性的燃烧实验，从而深化科学问题的凝练、聚焦核心目标并优化空间实验设计，提高空间燃烧实验的前沿性和创新性。同时，借助丰富的诊断资源，地面实验结果可为空间燃烧实验结果提供数据对比和补充，推动空间燃烧科学理论和应用技术的创新发展。
