一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法技术

本发明专利技术属于高超声速飞行器气动防热地面试验设备技术领域，公开了一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法。电弧加热器包括圆筒形的阴极，阴极内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极的外壁包裹磁场线圈，磁场线圈上排布供电线路；阴极的中心轴线上设置阳极，阴极的后端连接喷管。试验方法通过外接的等离子体电源向电弧加热器通电，通过接触引弧或者高频引弧的方式在阴极和阳极之间建立等离子体，再向电弧加热器通入试验气流，试验气流经电弧加热器加热后从喷管喷出气流，模拟高超声速飞行器的高焓、高压热环境。本发明专利技术的基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法能够满足高超声速飞行器高焓、高压热环境模拟的需求。高压热环境模拟的需求。高压热环境模拟的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法


[0001]本专利技术属于高超声速飞行器气动防热地面试验设备
，具体涉及一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法。

技术介绍

[0002]大功率电弧加热器是目前唯一能够在地面长时间、较真实地模拟出高超声速飞行器热环境的设备，是高超声速飞行器防热研究的核心设备。大功率电弧加热器是在两个电极之间形成电弧加热空气，加热后的高温空气从喷管喷出形成高温高速空气，高温高速空气形成高超声速飞行器的热环境。
[0003]随着高超声速飞行器的飞行马赫数越来越高、飞行空域越来越宽，需要模拟高超声速飞行器的高焓、高压的热环境，要求大功率电弧加热器的电极能够在更大电流（3000~6000A）和更高压力（15MPa~20MPa）下放电，加热空气以模拟出更高温度和更高压力的热环境，这对电极（特别是阴极）的耐烧蚀性能提出了更高要求。而目前使用的无氧铜电极已不能满足这样的耐烧蚀性能要求，电极烧蚀已成为制约高超声速飞行器防热研究的瓶颈问题。
[0004]为了减少电极烧蚀，目前，研究和发展了各种电弧控制技术，包括磁场旋转弧根技术、多电极技术、多加热器技术等，形成了现有的、比较成熟的两类电弧加热器：管式电弧加热器和片式电弧加热器。管式电弧加热器和片式电弧加热器虽然能够在一定程度上减少电极烧蚀，但是还有各自的局限性。
[0005]管式电弧加热器的电弧长度由气流的强度主导，管式电弧加热器特点是气流量大、电弧长度短，所以，管式电弧加热只能模拟出高超声速飞行器的低焓、高压热环境。r/>[0006]片式电弧加热器的电弧长度固定，可以在小气流下获得较长的电弧长度，模拟出高超声速飞行器的高焓热环境。但是，由于片式电弧加热器使用数百个叠片组合而成，其密封面多、热防护难度大；另外，片式电弧加热器采用多电极技术增加运行电流，当片式电弧加热器在高气压工作时，会出现密封失效，各电极之间因为压力增加造成电弧弧阻差值增大，各电极电弧之间容易相互干扰，造成电流分配不均匀，有时出现电弧分离，有时出现电弧合并形成串弧，导致片式电弧加热器的稳定性下降。因此，片式电弧加热只能模拟出高超声速飞行器的高焓、低压热环境。
[0007]简而言之，随着高超声速飞行器向更高马赫数、更宽空域飞行的方向发展，需要电弧加热器模拟高超声速飞行器的高焓、高压热环境，进而需要电极在更大电流、更高压力下工作；然而，电极在大电流、高压下工作烧蚀非常严重。受制于现有无氧铜电极的烧蚀特性，目前的大功率电弧加热器难以满足高超声速飞行器的高焓、高压热环境模拟要求。解决电极烧蚀难题，发展一种能够在大电流、高压力下工作的大功率电弧加热器是高超声速飞行器热防护研究的核心工作。
[0008]当前，亟需发展一种能够模拟出高超声速飞行器的高焓、高压热环境的基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的一个技术问题是提供一种基于阴极自发分弧的电弧加热器，本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法。
[0010]本专利技术的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特点是，所述的电弧加热器包括圆筒形的阴极，阴极内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极的外壁包裹磁场线圈，磁场线圈上排布供电线路；阴极包括若干个并联的环形的阴极圈，各阴极圈之间通过绝缘环密封连接；磁场线圈包括若干个与环形的阴极圈一一对应的环形的磁场线圈；阴极的前端与法兰盘绝缘密封连接；法兰盘的前端面上设置有阴极端头和阳极端头，阴极端头和阳极端头均与法兰盘绝缘连接；法兰盘上还开有进气通道、冷却水进水口和冷却水出水口；阴极的后端连接喷管；阴极的中心轴线上设置阳极，阳极的前端与法兰盘绝缘密封连接；阳极分为内外两层管体，内层管体为阳极出水管，阳极出水管前端连通冷却水出水口，阳极出水管后端开口；外层管体前端连接法兰盘的后端面，外层管体后端封闭；阳极出水管和外层管体之间的环形空腔连通冷却水进水口；冷却水从冷却水进水口进入阳极，沿环形空腔流至外层管体后端后汇流，经阳极出水管中心空腔，从冷却水出水口流出；试验气流从进气通道进入阴极和阳极之间的环形空腔，从喷管流出；阴极、阳极和喷管上还设置有冷却水结构；阴极端头电连接供电线路、供电线路电连接磁场线圈、磁场线圈电连接阴极；阳极端头与阳极电连接。
[0011]进一步地，所述的阴极的材质为包括铜、银在内的高热导率基体材质。
[0012]进一步地，所述的阴极内径D与阳极外径d满足公式：（D
‑
d）/2＞kI
c
+h，I
c
为电弧电流，k为系数，k的取值范围为0.03~0.06，h为常数，h的取值范围为0.1~3；阴极的数量，为电弧加热器的总电流，为单个阴极的电流，的取值范围为3000A~9000A。
[0013]进一步地，所述的含低逸出功元素相材料含有低逸出功相，低逸出功相包括低逸出功元素的共晶相、包晶相或者高温第二相；低逸出功元素在阴极金属基体中的原子百分数范围为0.1%~3%；低逸出功元素通过合金熔炼的方式加入阴极金属基体中，形成整体式合金阴极，或者通过激光熔覆、喷涂等形式在阴极内壁形成涂层式合金阴极，涂层厚度范围为0.5mm~3mm。
[0014]进一步地，所述的低逸出功相为CaB6、SrO、CaO、SrB6、ThO2、BaB6、HfO2、LaB6、Cr2Nb、Y2O3、BaO或La2O3中的一种或者二种以上。
[0015]进一步地，所述的含低逸出功元素相材料在加入阴极金属基体前进行电子发射性能提升处理，获得与阴极基体差异性的电子发射能力，处理方法包括：合金元素与阴极基底电子输运匹配处理、合金元素激活处理、合金元素老化处理、合金元素与阴极基体原子电子云交叠形成电势阱调节处理。
[0016]进一步地，所述的试验气流在进气通道入口处与阴极的弧根运动方向夹角为，的取值范围为5
°
~30
°
。
[0017]进一步地，所述的阳极外层管体的内径与阳极出水管外径差值范围为3mm~10mm。
[0018]进一步地，所述的磁场线圈的磁感应强度满足以下公式：
，式中，为弧根在阴极内壁旋转速度，为电弧加热器内部气体密度。
[0019]本专利技术的基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法，包括以下步骤：S10.向阴极、阳极和喷管的冷却水结构中通入冷却水，冷却水为去离子冷却水；S20.向进气通道通入10g/s~100g/s的试验气流；S30.通过外接的等离子体电源向阴极端头和阳极端头通电，通过接触引弧或者高频引弧的方式在阴极和阳极之间建立等离子体，等离子体电源的输出电流为1000A~3000A；S40.先逐渐增大等离子体电源的输出电流，随后增大进气通道的试验气流压力和流量，增大进气压力和流量的时间滞后于增大电流的时间，滞后时长1s~3s，均达到设定值后，电弧加热器进入稳定运行；试验气流经电弧加热器加热后从喷管喷出气流，模拟高超声速飞行器的高焓、高压热环境。
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的电弧加热器包括圆筒形的阴极（5），阴极（5）内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极（5）的外壁包裹磁场线圈（4），磁场线圈（4）上排布供电线路（3）；阴极（5）包括若干个并联的环形的阴极圈，各阴极圈之间通过绝缘环（6）密封连接；磁场线圈（4）包括若干个与环形的阴极圈一一对应的环形的磁场线圈（4）；阴极（5）的前端与法兰盘（2）绝缘密封连接；法兰盘（2）的前端面上设置有阴极端头（1）和阳极端头（11），阴极端头（1）和阳极端头（11）均与法兰盘（2）绝缘连接；法兰盘（2）上还开有进气通道（10）、冷却水进水口和冷却水出水口；阴极（5）的后端连接喷管（7）；阴极（5）的中心轴线上设置阳极（8），阳极（8）的前端与法兰盘（2）绝缘密封连接；阳极（8）分为内外两层管体，内层管体为阳极出水管（9），阳极出水管（9）前端连通冷却水出水口，阳极出水管（9）后端开口；外层管体前端连接法兰盘（2）的后端面，外层管体后端封闭；阳极出水管（9）和外层管体之间的环形空腔连通冷却水进水口；冷却水（13）从冷却水进水口进入阳极，沿环形空腔流至外层管体后端后汇流，经阳极出水管（9）中心空腔，从冷却水出水口流出；试验气流（12）从进气通道（10）进入阴极（5）和阳极（8）之间的环形空腔，从喷管（7）流出；阴极（5）、阳极（8）和喷管（7）上还设置有冷却水结构；阴极端头（1）电连接供电线路（3）、供电线路（3）电连接磁场线圈（4）、磁场线圈（4）电连接阴极（5）；阳极端头（11）与阳极（8）电连接。2.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的阴极（5）的材质为包括铜、银在内的高热导率基体材质。3.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的阴极（5）内径D与阳极（8）外径d满足公式：（D
‑
d）/2＞kI
c
+h，I
c
为电弧电流，k为系数，k的取值范围为0.03~0.06，h为常数，h的取值范围为0.1~3；阴极（5）的数量，为电弧加热器的总电流，为单个阴极的电流，的取值范围为3000A~9000A。4.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的含低逸出功元素相材料含有低逸出功相，低逸出功相包括低逸出功元素的共晶相、包晶相或者高温第二相；低逸出功元素在阴极（5）金属基体中的原子百分数范围为0.1%~...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁竭，朱涛，隆永胜，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：