在超过5马赫的飞行条件下，高超音速飞行器会遇到极端的热环境[1]，[2]，因此有效的热防护系统对其发展至关重要[3]。再生冷却作为一种主动冷却技术被广泛用于保护发动机中的高温部件，如燃烧室壁。在再生冷却过程中，车载的高吸热烃类燃料通过超临界压力下的对流热传递来冷却高温部件。在此过程中，烃类燃料提供了物理热沉，并通过吸热热解反应释放化学热沉，同时生成较小的分子热解产物，从而提高燃烧性能[4]，[5]。然而，在冷却通道内吸收热量并升温后，烃类燃料会发生焦化并在通道表面沉积，这会影响热传递性能。焦炭的形态参数，如其厚度和表面粗糙度，是影响烃类燃料流动和热传递特性的关键因素[6]，[7]。因此，研究焦炭的厚度和粗糙度对于准确预测再生冷却系统的性能至关重要。
在再生冷却通道中，烃类燃料的焦化主要通过以下方式影响流动和热传递：它缩小了流动通道并增加了流动阻力[8]；它增加了热阻，导致热传递性能下降[9]，[10]；并且它增加了壁面粗糙度，这增强了近壁湍流动能，从而可能改善热传递[7]，[11]。然而，关于焦炭厚度和粗糙度的研究仍然有限，现有研究主要依赖于间接分析方法。在数值研究中，陶等人[12]和冯等人[13]在计算流体动力学模拟中使用了焦化反应动力学模型来计算焦炭质量，然后利用焦炭密度和孔隙率等参数估算焦炭厚度。他们采用了动态网格技术来考虑焦炭厚度随时间的变化。尽管如此，这些模型没有考虑焦炭表面粗糙度及其对热传递的影响。在实验研究中，刘等人[6]引入了一种液压阻力方法，通过测量进出口之间的压降来间接估算烃类燃料焦化过程中的焦炭厚度。然而，这种方法只能粗略评估整体焦化情况，无法捕捉焦炭的轴向分布。此外，它也没有考虑焦炭表面粗糙度对流动阻力的影响。此外，烃类燃料沿管道的热物理性质的变化也可能引入进一步的偏差。
这些间接方法存在较大的误差。因此，直接测量焦炭厚度和粗糙度（即焦炭表面的形态）是必要的。表面测量方法可以分为接触式和非接触式方法。
接触式方法，如探针轮廓测量法，使用细探针在表面上扫描并记录其垂直位移以捕获地形信息[14]，[15]。这些方法具有出色的重复性和计量可追溯性，通常被用作验证非接触式测量方法的参考标准[16]，[17]。然而，探针的物理接触不可避免地会干扰流场和反应表面，使其不适合在运行中的冷却通道内进行原位在线监测。
非接触式测量方法无需物理接触即可间接获取表面信息，主要基于声学或光学原理。这些方法具有显著的优势，包括无损检测和能够在运行条件下进行原位在线测量。
研究人员开发了基于声学的测量技术，如超声导波和声学冲击方法[18]，[19]，通过分析接收信号的时间偏移和幅度衰减来检测管道污染[20]。然而，这些方法的分辨率通常有限，只能可靠地测量毫米级或更大的沉积物。它们无法准确表征微米级沉积物或捕捉形态变化。因此，这些方法不适合测量再生冷却通道中的焦炭厚度和表面粗糙度。
基于光学的方法通常在微米甚至纳米级别提供高分辨率，并具有非接触操作和快速响应等优点，因此被广泛用于测量表面形态。常见的技术包括激光消光法、激光干涉法、相移干涉显微镜（PSI）、白光干涉法、光切片法和彩色共聚焦显微镜。
激光消光法基于激光光强度在穿过透明介质时减弱的原理，厚度是根据光强度衰减的程度来计算的。例如，Utaka等人[21]使用这种方法测量了微通道中的液膜厚度，测量范围为2–30 μm。然而，其有限的测量范围使其不适用于涉及毫米级通道的应用。
相比之下，基于光学干涉的方法提供了更宽的测量范围。激光干涉法通过分析从其表面反射的激光干涉图像来确定透明物体的厚度。Chen等人[22]使用激光干涉法测量了方形微通道中的液膜厚度，有效捕获了0.1–10 μm范围内的动态变化。同样，Maliackal等人[23]开发了一种基于激光干涉法的系统，用于同时测量薄膜厚度和界面温度。Sun等人[24]使用白光干涉法测量了水表面的透明油膜厚度，最大可测量厚度约为250 μm，分辨率为1.25 μm。PSI广泛用于测量半导体器件的表面，具有纳米级精度[25]。Villalobos-Mendoza等人[26]使用PSI测量了纳米级薄膜台阶。然而，在高温下，烃类燃料的密度波动增加会导致光散射增强，从而使基于干涉的方法失效。
光切片法能够高效准确地测量表面形态[27]。然而，当应用于多层透明介质时，会出现折射位移、多次反射和焦点模糊等问题，使其无法有效测量通道内的焦炭形态。
彩色共聚焦方法基于光学色散现象，不同波长的光在不同的轴向位置聚焦。通过分析反射光的聚焦波长来确定被测表面的轴向位置。彩色共聚焦位移传感器体积小、重量轻，适用于各种场景下的原位测量。Chen等人[28]使用这种方法测量了厚度为260 μm的连续滚动光学薄膜。Bai等人[29]提出了一种基于彩色共聚焦原理的新方法来测量薄膜厚度和光谱反射率，在应用于二氧化硅薄膜时实现了纳米级精度。此外，这种方法已被用于各种加工场所的表面形态测量[30]，[31]，[32]，从而提高了加工精度。彩色共聚焦方法具有强大的穿透能力、抗散射光干扰的能力以及对测量材料光学性质的最小敏感性。然而，超临界烃类燃料的密度波动和流动及热传递的不稳定性给焦炭形态的测量带来了挑战。
总之，现有关于超临界烃类燃料热解产生的焦炭厚度和粗糙度的数值和实验研究主要依赖于间接方法，这些方法无法直接表征焦炭粗糙度。据我们所知，文献中尚未报道在如此极端操作条件下对焦炭厚度和粗糙度的原位测量。
本研究提出了一种基于彩色共聚焦技术的原位、在线测量方法，用于表征超临界烃类燃料热解过程中形成的焦炭表面形态。使用超临界正癸烷作为工作流体，通过将彩色共聚焦位移传感器与数控（NC）位移平台集成来测量通道内的焦炭厚度和粗糙度。通过流体折射率校正和对系统振荡的不确定性分析（由热物理性质的剧烈变化引起）来校准该方法的准确性。通过使用常温空气和超临界热解燃料进行比较测量来验证方法的有效性。通过多次测量的相关性分析确认了重复性。最终，成功表征了超临界正癸烷热解过程中形成的焦炭的表面形态，揭示了焦炭厚度和表面粗糙度的动态演变。
