CN106508113B - 自磁场加速超高焓电弧加热器 - Google Patents
自磁场加速超高焓电弧加热器Info
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Abstract
一种自磁场加速超高焓电弧加热器，包括：阴极、喷管和阳极，阴极和阳极被超音速喷管分隔开，阴极放置在超音速喷管的上游，6-30个阳极端子沿圆周方向均匀放置在超音速喷管出口，超音速喷管由5-10个相互绝缘的金属环组成。等离子电弧上游端附着在阴极端头上，下游端均匀分布在阳极端子上。采用大电流、低电压运行方式，电弧本身的大电流产生强大磁场，将电弧向中心区域压缩并对等离子体加速，超音速喷管的结构使气流在上游发生扰动，这些原因使得气流和电弧充分混合，提高气流焓值。该自磁场加速超高焓电弧加热器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
技术领域
一种气动热地面模拟实验用的自磁场加速超高焓电弧加热器。
背景技术
航天飞行器在再入大气层时其表面将经受严重的气动加热及辐射加热，这一特点要求飞行器装载防热系统。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，加热器作为加热设备被广泛应用。
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。
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，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(超高焓指加热器产生的气流焓大于40MJ/kg)电弧加热器是很有必要的。
本发明所涉及的自磁场加速超高焓电弧加热器可以模拟超高焓、低压的高空环境，可以承担高超声速飞行器在再入大气层初始阶段高焓、高速环境，开展飞行器疏导式热防护方案地面模拟试验研究工作，为飞行器热防护系统设计提供技术支撑。
发明内容
本发明解决的技术问题是：通过合理设计，提高气流焓值，防止电极烧损，促进流场均匀、稳定，延长试验时间，实现在大电流、长时间情况下(加热运行电流量大于3000A、电压低于1000V)运行，提供一种可以模拟超高焓(超高焓指加热器产生的气流焓大于40MJ/kg)、低压高空环境的自磁场加速超高焓电弧加热器。
本发明的技术方案：
利用电弧本身产生的磁场加速等离子介质流动，同时压缩电弧，提高工作介质与电弧的热交换效率，从而提高气流焓值；采用超音速喷管将阴极和阳极分隔开，使弧根更加靠近试验模型；利用大电流长时间稳定运行，合理设计阴极和阳极的结构，防止电极烧损并促进流场均匀、稳定；将超音速喷管设计成相互绝缘的片段，这种结构方式使压缩气流发生扰动，提高热交换，从而提高焓值。
根据上述思路设计了自磁场加速超高焓电弧加热器，如图1和图2所示，自磁场加速超高焓电弧加热器由阴极1、喷管2和阳极3组成，阴极1和阳极3被喷管2分隔开，各部分相互绝缘并密封固定；阴极1由阴极棒4和耐高温绝缘套管5组成，工作气体通过阴极棒4下游的进气孔6切向旋转进入，阴极棒4采用耐高温且电子溢出功较低的钨合金制成，阴极1和喷管2绝缘并密封固定；喷管2由5-10个水冷金属环7和绝缘片8交替排列组成，每个水冷金属环7都有水冷通道9，从压缩通道下游的进气口10引进实验所需成分的气体；阳极3由6-30个阳极端子12组成，阳极端子12沿圆周方向均匀放置在喷管2出口，不同阳极端子之间相互绝缘，保护气体在阳极端子12上游的进气口11切向旋转进入，保护阳极端子12，通过调节镇定电阻13的阻值，控制电弧电流平均分配在每个阳极端子12上。
其中，水冷金属环7和绝缘片8的数量和尺寸可以根据模拟参数的要求进行调整；喷管2的内部尺寸和长度可以根据不同要求进行调节；阳极端子12的结构和数量可以根据具体实验状态调整；阳极3可以放置在喷管2下游，也可以作为喷管2的一部分；此外，还可以控制所述工作气体的成分，模拟多种大气环境。
运行时，自磁场加速超高焓电弧加热器阳极连接电源正极，阴极连接电源负极，用氩气点弧，为消除等离子体与地的电位差，可以将阳极接地运行。
具体实施方式
如图1所示，自磁场加速超高焓电弧加热器由阴极1、喷管2、阳极3组成，各部分相互绝缘并密封固定。
所述的阴极1由阴极棒4和耐高温绝缘套管5组成，工作气体通过阴极棒4下游的进气孔6切向旋转进入。阴极棒4采用耐高温且电子溢出功较低的钨合金制成。阴极1和喷管2绝缘并密封固定。
所述的喷管2由若干个水冷金属环7和绝缘片8交替排列组成。水冷金属环7和绝缘片8的数量和尺寸可以根据模拟参数的要求进行调整。每个水冷金属环7都有水冷通道9。压缩通道下游的进气口10可以引进实验所需成分的气体，扩大加热器的模拟范围。
如图2所示，所述的阳极3由若干个阳极端子12组成，所述的阳极端子12相互绝缘。保护气体在阳极端子12上游的进气口11切向旋转进入，保护阳极端子12。阳极端子12的结构和数量可以根据具体实验状态调整。通过调节镇定电阻13的阻值，可以控制电弧电流平均分配在每个阳极端子12上。阳极3可以放置在喷管2下游，也可以作为喷管2的一部分。
自磁场加速超高焓电弧加热器阳极连接电源正极，阴极连接电源负极，用氩气点弧，为消除等离子体与地的电位差，可以将阳极接地运行。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明阳极结构示意图；
Claims (6)
1.自磁场加速超高焓电弧加热器，其特点在于：自磁场加速超高焓电弧加热器由阴极(1)、喷管(2)和阳极(3)组成，阴极(1)和阳极(3)被喷管(2)分隔开，各部分相互绝缘并密封固定；阴极(1)由阴极棒(4)和耐高温绝缘套管(5)组成，工作气体通过阴极棒(4)下游的进气孔(6)切向旋转进入，阴极棒(4)采用耐高温且电子溢出功较低的钨合金制成，阴极(1)和喷管(2)绝缘并密封固定；喷管(2)由5-10个水冷金属环(7)和绝缘片(8)交替排列组成，每个水冷金属环(7)都有水冷通道(9)，从压缩通道下游的进气口(10)引进实验所需成分的气体；阳极(3)由6-30个阳极端子(12)组成，阳极端子(12)沿圆周方向均匀放置在喷管(2)出口，不同阳极端子之间相互绝缘，保护气体在阳极端子(12)上游的进气口(11)切向旋转进入，保护阳极端子(12)，通过调节镇定电阻(13)的阻值，控制电弧电流平均分配在每个阳极端子(12)上。
2.根据权利要求1所述的自磁场加速超高焓电弧加热器，其特征在于：所述的水冷金属环(7)和绝缘片(8)的数量和尺寸可以根据模拟参数的要求进行调整。
3.根据权利要求1所述的自磁场加速超高焓电弧加热器，其特征在于：所述的喷管(2)的内部尺寸和长度可以根据不同要求进行调节。
4.根据权利要求1所述的自磁场加速超高焓电弧加热器，其特征在于：所述的阳极端子(12)的结构和数量可以根据具体实验状态调整。
5.根据权利要求1所述的自磁场加速超高焓电弧加热器，其特征在于：可以控制工作气体的成分，模拟多种大气环境。
6.根据权利要求1所述的自磁场加速超高焓电弧加热器，其特征在于：所述的自磁场加速超高焓电弧加热器阳极连接电源正极，阴极连接电源负极，用氩气点弧，为消除等离子体与地的电位差，可以将阳极接地运行。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2011
- 2011-05-30 CN CN201110011248.4A patent/CN106508113B/zh active Active
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