CN105451427A - 一种超高焓电弧加热器阴极 - Google Patents

一种超高焓电弧加热器阴极 Download PDF

Info

Publication number
CN105451427A
CN105451427A CN201510997539.3A CN201510997539A CN105451427A CN 105451427 A CN105451427 A CN 105451427A CN 201510997539 A CN201510997539 A CN 201510997539A CN 105451427 A CN105451427 A CN 105451427A
Authority
CN
China
Prior art keywords
negative electrode
cavity
arc heater
enthalpy
superelevation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510997539.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105451427B (zh
Inventor
袁国伍
陈连忠
陈海群
付建壮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Original Assignee
China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA filed Critical China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority to CN201510997539.3A priority Critical patent/CN105451427B/zh
Publication of CN105451427A publication Critical patent/CN105451427A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105451427B publication Critical patent/CN105451427B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/06—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2242/00—Auxiliary systems
    • H05H2242/10—Cooling arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

本发明公开了一种超高焓电弧加热器阴极，用于解决现有技术中的电弧加热器均不能用于模拟超高焓值的环境问题。该电弧加热器阴极包括：阴极端头，其与电源负极电连接；腔体，其呈锥形，腔体内径值大的一端与阴极端头固定连接，进入腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，腔体由多个相互绝缘且固定连接的压缩片构成，以用来防止电流沿腔体表面通过。本发明可以应用于模拟航天飞行器在深空探测返回时的高空热环境，为航天飞行器防热材料筛选实验提供热环境。

Description

一种超高焓电弧加热器阴极
技术领域
本发明属于电弧加热器领域，特别涉及一种应用于气动热地面模拟实验中的超高焓电弧加热器阴极。
背景技术
航天飞行器在再入大气层的过程中，由于其表面受到严重的气动加热及辐射加热，这就需要飞行器装载防热系统。而防热系统的防热材料需要在地面进行气动热实验以考核其防热性能，气动热实验一般在等离子电弧风洞中进行，电弧风洞作为高超音速风洞的一种，利用电弧加热器产生的高焓值气体配合压缩气体模拟高超音速飞行时的高温高压环境。
随着气动热地面模拟技术的发展，各种类型的电弧加热器被研制出来并应用于气动热地面模拟实验。由于结构和运行方式的限制，各类电弧加热器均有其模拟范围。例如，管状电弧加热器用来模拟高压、低焓环境，片式和段式电弧加热器用于模拟中高压、中低焓环境，高频感应电弧加热器用于模拟低压、高焓环境。但是，在现代气动热地面模拟技术中越来越需要创造极端高温来履行多种功能。其中的一项功能就是模拟地球大气层或者其他行星大气层中的太空飞行或者超音速飞行条件，以考核防热材料的防热性能。例如，飞船返回舱以第二宇宙速度再入大气层，其表面将经受严重的气动加热及辐射加热，周围环境焓值将达到56MJ/kg，此前的加热器均不能提供如此高的焓值。开发研制超高焓电弧加热器是很有必要的，而电弧加热器阴极是其中研究的一个重点和难点。因此，现有技术中至少存在如下问题，现有技术中的电弧加热器均不能用于模拟超高焓值环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高焓电弧加热器阴极，用于解决现有技术中的电弧加热器均不能用于模拟超高焓值的环境问题，该超高焓电弧加热器阴极提高了气流的焓值。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超高焓电弧加热器阴极，包括：
阴极端头，其与电源负极电连接；
腔体，其呈锥形，所述腔体内径值大的一端与所述阴极端头固定连接，进入所述腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在所述内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，所述腔体由多个相互绝缘且固定连接的压缩片构成，以用来防止电流沿所述腔体表面通过。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头包括内壳和外壳，在所述内壳和外壳之间设置一供冷水通过的管道，以用来冷却所述阴极端头。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述每个压缩片均包括内壳和外壳，在所述每个压缩片的内壳和外壳之间均设置一供冷水通过的管道，以用来冷却所述压缩片。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述腔体还包括多个绝缘片，所述多个压缩片和所述多个绝缘片以间隔交替的方式排列且相互之间固定连接形成所述腔体。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，在靠近所述阴极端头的压缩片上设置有引弧气体入口和工作气体入口。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述引弧气体入口设置在所述工作气体入口的上游，所述腔体内径大的一端为上游。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述腔体的内径逐渐变小形成的内径线与所述腔体的中轴线的夹角范围设置为5度～25度。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头面向所述腔体的一面上设置有球冠型突起或者球冠型凹陷。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头上设置的球冠型突起或者球冠型凹陷的外径值小于所述腔体的最小内径值。
优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头中含有2％的钨钍合金材料。
本发明至少包括以下有益效果：由于腔体呈锥形，所述腔体内径值大的一端与所述阴极端头固定连接，进入所述腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在所述内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，以高温高速的方式流出所述腔体，具有压缩作用的腔体结构，迫使电弧在阴极区产生压缩加速，提高了工作气体与电弧的热交换效率，从而提高了气流的焓值。所述腔体由多个相互绝缘且固定连接的压缩片构成，以用来防止电流沿所述腔体表面通过，减少了能量的损失，有利于提高气流焓值。引弧气体入口和工作气体入口都设置在阴极端头附近，减少了能量损失。所述腔体的圆锥形结构以及所述阴极端头面向所述腔体的一面上设置有球冠型突起或者球冠型凹陷，保证了加热器容易引弧，且不发生尖端放电，同时也减少了能量损失。在所述阴极端头和多个压缩片中都设置有供冷水流通的管道，用来冷却阴极端头和压缩片，保证了大电流能够长时间的稳定运行。
附图说明
图1为本发明所述的超高焓电弧加热器阴极的结构示意图；
图2为本发明所述的超高焓电弧加热器阴极的阴极端头的结构示意图；
图3为本发明所述的超高焓电弧加热器阴极的压缩片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的超高焓电弧加热器阴极，包括：
阴极端头1，其与电源负极电连接；腔体2，其呈锥形，腔体内径值大的一端与阴极端头固定连接，进入腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，腔体2由多个相互绝缘且固定连接的压缩片3构成，以用来防止电流沿腔体2表面通过。
需要说明的是，阴极端头和腔体之间的固定连接以及多个压缩片之间的固定连接均为密封固定，具体方法可以选择螺栓连接或者焊接等，在此并不做具体的限定。
具有压缩作用的腔体结构，迫使电弧在阴极区产生压缩加速，提高了工作气体与电弧的热交换效率，提高了气流的焓值，工作气体被电弧电离形成高温等离子体流后在内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，以高温高速的方式流出腔体。由于腔体的出口是腔体中内径值最小的地方，在此形成以喉道，很利于建立超音速流场。腔体由多个相互绝缘且固定连接的压缩片构成，以用来防止电流沿所述腔体表面通过，减少了能量的损失，有利于提高气流焓值。
如图1，图2，图3所示，本发明的一种实施方式中，阴极端头1包括内壳7和外壳9，在内壳7和外壳9之间设置一供冷水通过的管道8，以用来冷却阴极端头。每个压缩片3均包括内壳10和外壳11，在每个压缩片的内壳和外壳之间均设置一供冷水通过的管道12，以用来冷却压缩片。腔体2还包括多个绝缘片4，多个压缩片和多个绝缘片以间隔交替的方式排列且相互之间固定连接形成腔体。
需要说明的是，阴极端头上设置的冷却管道和每个压缩片上设置的冷却管道相互之间是独立的，阴极端头上的冷却管道只能用来冷却阴极端头，而每个压缩片上的冷却管道只能用来冷却该压缩片。每个压缩片上的冷却管道均设置有一进水口和一出水口。压缩片的内壳和外壳可以由耐高温的金属材料制成，内壳和外壳之间通过焊接的方式固定在一起。阴极端头上的冷却管道和压缩片的冷却管道可以通入纯净水实现冷却。阴极端头上设置的冷却管道，尽量使冷却水距离外壳的顶部距离大于30mm，以防止冷却水带走过多的热量。相邻压缩片之间的绝缘片采用耐高温绝缘材料制成。
在阴极端头和多个压缩片中都设置有供冷水流通的管道，用来冷却阴极端头和压缩片，能够保证大电流长时间的稳定运行。
具体的，在靠近阴极端头的压缩片3上设置有引弧气体入口6和工作气体入口5。且引弧气体入口6设置在工作气体入口5的上游，腔体内径大的一端为上游。在腔体的上游靠近阴极端头的位置设置引弧气体入口6和工作气体入口5，有利于引弧，同时也减少了能量损失。
具体的，腔体的内径逐渐变小形成的内径线与腔体的中轴线的夹角范围设置为5度～25度。夹角如果过小不能对气流形成有效地压缩加速，夹角如果过大又会增加能量损失。
具体的的，阴极端头1面向所述腔体的一面上设置有球冠型突起或者球冠型凹陷。阴极端头上设置的球冠型突起或者球冠型凹陷的外径值小于腔体的最小内径值。
球冠型凸起或凹陷有利于阴极端头发射电子，同时防止了尖端放电，也减少能量损失。球冠型突起或者球冠型凹陷的外径值小于腔体的最小内径值，两者具体的尺寸大小根据实际情况具体来确定。
更具体的，阴极端头中含有2％的钨钍合金材料。钨钍合金材料容易发射电子，同时也满足了高温运行要求。
本发明提供的高焓值电弧加热器阴极，能够产生高温高速的等离子体流，提高了气流的焓值，解决了现有技术中的电弧加热器均不能用于模拟超高焓值的环境问题。
本发明可以应用于模拟航天飞行器在深空探测返回时的高空热环境，为航天飞行器防热材料筛选实验提供热环境。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，包括：
阴极端头，其与电源负极电连接；
腔体，其呈锥形，所述腔体内径值大的一端与所述阴极端头固定连接，进入所述腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在所述内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，所述腔体由多个相互绝缘且固定连接的压缩片构成，以用来防止电流沿所述腔体表面通过。
2.如权利要求1所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述阴极端头包括内壳和外壳，在所述内壳和外壳之间设置一供冷水通过的管道，以用来冷却所述阴极端头。
3.如权利要求1或2所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述每个压缩片均包括内壳和外壳，在所述每个压缩片的内壳和外壳之间均设置一供冷水通过的管道，以用来冷却所述压缩片。
4.如权利要求1所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述腔体还包括多个绝缘片，所述多个压缩片和所述多个绝缘片以间隔交替的方式排列且相互之间固定连接形成所述腔体。
5.如权利要求1所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，在靠近所述阴极端头的压缩片上设置有引弧气体入口和工作气体入口。
6.如权利要求5所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述引弧气体入口设置在所述工作气体入口的上游，所述腔体内径大的一端为上游。
7.如权利要求1所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述腔体的内径逐渐变小形成的内径线与所述腔体的中轴线的夹角范围设置为5度～25度。
8.如权利要求1所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述阴极端头面向所述腔体的一面上设置有球冠型突起或者球冠型凹陷。
9.如权利要求8所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述阴极端头上设置的球冠型突起或者球冠型凹陷的外径值小于所述腔体的最小内径值。
10.如权利要求1所述的超高焓电弧加热器阴极，其特征在于，所述阴极端头中含有2％的钨钍合金材料。
CN201510997539.3A 2015-12-25 2015-12-25 一种超高焓电弧加热器阴极 Active CN105451427B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510997539.3A CN105451427B (zh) 2015-12-25 2015-12-25 一种超高焓电弧加热器阴极

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510997539.3A CN105451427B (zh) 2015-12-25 2015-12-25 一种超高焓电弧加热器阴极

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105451427A true CN105451427A (zh) 2016-03-30
CN105451427B CN105451427B (zh) 2019-01-18

Family

ID=55561085

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510997539.3A Active CN105451427B (zh) 2015-12-25 2015-12-25 一种超高焓电弧加热器阴极

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105451427B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106793440A (zh) * 2016-12-29 2017-05-31 中国航天空气动力技术研究院 一种大功率超高焓电弧加热器
CN109565921A (zh) * 2016-08-11 2019-04-02 株式会社富士 等离子体产生装置及等离子体照射方法
CN110708852A (zh) * 2019-09-25 2020-01-17 清华大学 一种等离子体枪
CN112682961A (zh) * 2020-12-30 2021-04-20 中国航天空气动力技术研究院 一种电弧加热器后端盖

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1128554A (ja) * 1997-07-09 1999-02-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマトーチおよびこれを利用した溶鋼加熱タンディッシュ
CN201690672U (zh) * 2010-05-13 2010-12-29 贵州翔明科技有限公司 一种大气压直流弧放电等离子体发生装置
CN202111925U (zh) * 2011-04-27 2012-01-11 成都科尚科技有限公司 一种三阴极多级直流弧放电等离子体发生装置
CN103269558A (zh) * 2013-06-05 2013-08-28 南京理工大学 一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪
CN104203477A (zh) * 2012-02-28 2014-12-10 苏舍美特科（美国）公司 延长的级联等离子枪
CN104853514A (zh) * 2015-05-12 2015-08-19 四川大学 层流等离子体发生器
CN104902666A (zh) * 2015-05-21 2015-09-09 广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院) 一种双气流超音速等离子喷枪
CN105025648A (zh) * 2015-07-24 2015-11-04 南京理工大学 超音速等离子喷枪

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1128554A (ja) * 1997-07-09 1999-02-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマトーチおよびこれを利用した溶鋼加熱タンディッシュ
CN201690672U (zh) * 2010-05-13 2010-12-29 贵州翔明科技有限公司 一种大气压直流弧放电等离子体发生装置
CN202111925U (zh) * 2011-04-27 2012-01-11 成都科尚科技有限公司 一种三阴极多级直流弧放电等离子体发生装置
CN104203477A (zh) * 2012-02-28 2014-12-10 苏舍美特科（美国）公司 延长的级联等离子枪
CN103269558A (zh) * 2013-06-05 2013-08-28 南京理工大学 一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪
CN104853514A (zh) * 2015-05-12 2015-08-19 四川大学 层流等离子体发生器
CN104902666A (zh) * 2015-05-21 2015-09-09 广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院) 一种双气流超音速等离子喷枪
CN105025648A (zh) * 2015-07-24 2015-11-04 南京理工大学 超音速等离子喷枪

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
袁国伍: "MPD高焓加热器研究", 《国防科学技术大学工程硕士毕业论文》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109565921A (zh) * 2016-08-11 2019-04-02 株式会社富士 等离子体产生装置及等离子体照射方法
CN109565921B (zh) * 2016-08-11 2021-05-18 株式会社富士 等离子体产生装置及等离子体照射方法
CN106793440A (zh) * 2016-12-29 2017-05-31 中国航天空气动力技术研究院 一种大功率超高焓电弧加热器
CN106793440B (zh) * 2016-12-29 2023-07-28 中国航天空气动力技术研究院 一种大功率超高焓电弧加热器
CN110708852A (zh) * 2019-09-25 2020-01-17 清华大学 一种等离子体枪
CN112682961A (zh) * 2020-12-30 2021-04-20 中国航天空气动力技术研究院 一种电弧加热器后端盖
CN112682961B (zh) * 2020-12-30 2022-05-27 中国航天空气动力技术研究院 一种电弧加热器后端盖

Also Published As

Publication number Publication date
CN105451427B (zh) 2019-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105451427A (zh) 一种超高焓电弧加热器阴极
CN107218187B (zh) 一种磁等离子体推力器的阳极水冷结构
CN109655226A (zh) 叠片式电弧加热器工作特性诊断系统及诊断方法
CN206524996U (zh) 一种叠片式电弧加热器电极冷却结构
CN105517312A (zh) 一种超高焓电弧加热器阳极
CN206365126U (zh) 一种大功率超高焓电弧加热器
Mirnov et al. Innovative method of cooling and thermostabilization of tokamak elements with capillary-porous structures
CN106793440B (zh) 一种大功率超高焓电弧加热器
CN106508113B (zh) 自磁场加速超高焓电弧加热器
CN108263638A (zh) 一种高温低耗异形喷管
CN206181524U (zh) 一种用于大功率层流电弧等离子体束发生器的密封结构
CN205302969U (zh) 一种基于pzt下动态热电转换机制的放射性同位素电池
CN209640306U (zh) 一种带主动冷却大热流超声速射流喷管
CN110374722A (zh) 一种柴油机排气消烟及红外抑制装置
Venkatesh et al. Ionic wind review-2020: advancement and application in thermal management
Li et al. 3-D Simulation of external cooling of aero-optical side window
ZHANG et al. Numerical Analysis of Separation of Supersonic Submunition Based on Nested Grid
CN106304599A (zh) 一种用于大功率层流电弧等离子体束发生器的密封结构
Avital et al. Flow design and simulation of a gas compression system for hydrogen fusion energy production
CN206181525U (zh) 一种层流等离子发生器枪体
CN207351650U (zh) 一种小型风洞驻点烧蚀试验装置
Xuewei et al. Study of the expansion characteristics of a pulsed plasma jet in air
CN204795822U (zh) 超音速等离子喷枪
CN206181515U (zh) 一种层流等离子发生器阴极结构
CN105972564A (zh) 一种石英灯风冷装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant