CN111426058A - 一种高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器及移动磁场控制电弧弧根的方法，该电弧加热器，包括：管状电极、磁场线圈和移动机构；所述管状电极包括负电极和正电极，以及连接所述负电极和正电极形成绝缘间隔的弧室；所述弧室上设置有切向进气孔，用于引入高压旋转空气；所述磁场线圈，包括第一磁场线圈和第二磁场线圈，分别套设在所述负电极和正电极外；所述移动机构，用于沿所述管状电极的轴向移动所述第一磁场线圈，和/或所述第二磁场线圈。本发明通过改变磁场线圈的位置来改变磁场洛伦兹力轴向分量的位置，使电弧弧根在电极内壁轴向的某个位置与气动力轴向分量平衡，从而控制电弧弧根的位置，提高电弧运行的稳定性。

Description

一种高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器
技术领域
本发明涉及高超声速飞行器技术领域，尤其涉及一种高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器及一种移动磁场控制电弧弧根的方法。
背景技术
电弧加热器是开展高超声速飞行器热环境模拟试验的重要地面设施，电弧加热器采用电弧放电加热空气形成高温高速流场进行试验。电弧加热器运行参数的精确度、重复性和时间稳定性对试验模拟逼近真实飞行环境以及提高试验的精细度均有较大的影响。
目前，电弧加热器存在以下缺陷：电极局部烧损大，使用寿命短，可靠性不高，在大功率、长时间运行条件下故障率较高，常常导致试验中因电弧加热器故障而被迫终止，甚至造成模型报废。经研究表明，电弧加热器外加磁场对电弧弧根进行控制，改善电弧运行的参数波动，提高电弧运行的稳定性，提高试验流场参数精度和重复性具有重要的作用。但是，现有技术中磁场线圈固定在电极外壳上，不能够满足电弧加热器宽范围、多种试验状态及工况参数稳定运行的需求。此外，电弧弧根常常在一个固定位置对电极进行剧烈烧蚀，使其局部损坏而导致整个电极报废，导致试验成本增加，风险加大。
因此，针对以上不足，需要提供一种通过外加磁场控制电弧弧根的电弧加热器及方法来提高电弧宽范围参数运行稳定性、延长电极寿命，降低试验成本和风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于现有技术存在不能满足电弧加热器宽范围、多种试验状态及工况参数稳定运行的需求，且电极局部烧损大、使用寿命短、可靠性低的问题，针对现有技术中的缺陷，提供了一种高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器及一种移动磁场控制电弧弧根的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，包括：管状电极、磁场线圈和移动机构；
所述管状电极包括负电极和正电极，以及连接所述负电极和正电极形成绝缘间隔的弧室；所述弧室上设置有切向进气孔，用于引入高压旋转空气；
所述磁场线圈，包括第一磁场线圈和第二磁场线圈，分别套设在所述负电极和正电极外；
所述移动机构，用于沿所述管状电极的轴向移动所述第一磁场线圈，和/或所述第二磁场线圈。
优选地，所述磁场线圈产生的洛伦兹力切向分量与气动力切向分量方向相同，所述洛伦兹力轴向分量与气动力轴向分量相反。
优选地，所述移动机构包括伺服电机、丝杠和丝杠螺母；所述磁场线圈固定在所述丝杠螺母上，所述伺服电机通过所述丝杠螺母带动第一磁场线圈在负电极外沿轴向往复移动、和/或带动第二磁场线圈在正电极外沿轴向往复移动。
优选地，所述切向进气孔的角度为30度至60度。
优选地，所述弧室包括至少三排切向进气孔，且每排切向进气孔的数量为六个。
优选地，所述电弧加热器还包括：电极支座；所述电极支座用于支撑所述负电极和正电极。
优选地，所述移动机构安装在所述电极支座上。
优选地，所述电弧加热器还包括控制器，用于按照预定时间间隔控制移动机构移动所述第一磁场线圈，和/或第二磁场线圈；所述控制器还用于调整第一磁场线圈，和/或第二磁场线圈中电流大小。
本发明还提供了一种移动磁场控制电弧弧根的方法，基于前述任一项所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器实现；所述方法包括以下步骤：
检测是否满足弧根移动条件，是则通过移动机构调整磁场线圈的位置或者调整此处磁场线圈中电流大小。
优选地，所述检测是否满足弧根移动条件为：
检测弧根烧蚀程度是否达到预设程度；或者
当前磁场线圈位置的工作时间是否达到预设时间间隔。
实施本发明的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器及移动磁场控制电弧弧根的方法，具有以下有益效果：
1、通过弧室旋转进气，产生切向的压力梯度，将电弧压缩在电极中心的轴线附近，气动力切向分量驱动电弧弧根旋转，同时，气动力轴向分量使电弧向两端拉长；
2、在电极外设置磁场线圈，该磁场线圈采用一定数量的线并叠加组合，磁场线圈产生洛仑兹力，洛仑兹力切向分量与气动力切向分量叠加，加速电弧弧根的旋转运动，洛仑兹力轴向分量与气动力轴向分量方向相反，推动电弧弧根在电极管内轴向缩短的方向移动；
3、在弧室进气参数一定的条件下，通过改变磁场线圈线并数量和调整磁场线圈中电流大小来改变磁场洛伦兹力轴向分量的大小，以及通过改变磁场线圈的位置来改变磁场洛伦兹力轴向分量的位置，使电弧弧根在电极内壁轴向的某个位置与气动力轴向分量平衡，从而控制电弧弧根的位置，提高电弧运行的稳定性，且能够满足电弧加热器宽范围、多种试验状态及工况参数稳定运行的需求；
4、通过改变磁场洛伦兹力轴向分量的大小或位置，将电弧弧根从电极烧损严重的位置移动到烧损较小的位置，实现电极寿命的延长。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器的示意图；
图2a为电弧受磁场洛伦兹力和气动力作用示意图；图2b为图2a的A-A向示意图。
图中：1：负电极；2：第一磁场线圈；3：弧室；4：正电极；5：移动支座；6：移动机构；7：第二磁场线圈。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器的示意图。该电弧加热器包括管状电极、磁场线圈和移动机构6。
其中管状电极包括负电极1和正电极4，通过负电极1和正电极4产生电弧。正电极4的一端连接试验喷管，气流从喷管喷出进行试验。在一个实施例中，负电极1和正电极4均采用空心管状电极。例如在一个具体的实施例中，负电极1的内径为110mm，长度为1100mm，正电极4的内径为80mm，长度为1800mm。应该理解的是，在高超声速飞行器热环境模拟领域中，负电极对应于后电极，正电极对应于前电极。
电弧加热器还包括弧室3。弧室3位于负电极1和正电极4之间，形成绝缘间隔，并能够引入高压旋转空气。弧室3包括切向进气孔，该弧室3处设置旋转进气，在一个实施例中，切向进气孔的角度优选设置为30度到60度。例如切向进气孔的角度可以为45度，也可以为60度，具体根据试验状态进行设置。在一个更具体的实施例中，弧室3包括至少三排切向进气孔，且每排切向进气孔的数量为六个，切向进气孔的直径可设置为3mm。此处切向进气孔的数量、尺寸及分布根据试验状态和气体流动需要可进行设定。
该电弧加热器还包括磁场线圈。该磁场线圈包括第一磁场线圈2和第二磁场线圈7，第一磁场线圈2套设在负电极1的外壳外，第二磁场线圈7套设在正电极4的外壳外。在一个实施例中，该磁场线圈由不少于一并线圈叠加组合而成，线圈线并数量具体根据试验条件进行设定，例如，磁场线圈可以包括8并串联的线圈，每并线圈为8匝。通过管状电极外的磁场线圈产生洛仑兹力，洛仑兹力切向分量与弧室3进入气流的气动力切向分量叠加，加速电弧弧根的旋转运动，洛仑兹力轴向分量与气动力轴向分量方向相反，通过改变磁场线圈的线并数量或通过调整磁场线圈中电流大小来改变磁场洛伦兹力轴向分量的大小，控制电弧弧根在电极内壁轴向的某个位置与气动力轴向分量平衡，由此控制电弧弧根在管状电极内的轴向位置，稳定电弧运行。
该电弧加热器还包括移动机构6。在一个优选的实施例中，利用该移动机构6能够沿负电极1的轴向移动第一磁场线圈2。通过改变负电极1外的第一磁场线圈2的位置来改变磁场洛伦兹力轴向分量的位置，控制电弧弧根在负电极1内壁轴向的某个位置与气动力轴向分量平衡，从而控制电弧弧根在负电极1内的轴向位置，有效提高了电弧运行的稳定性。此处需要说明的是，在其他一些实施例中，也可以设置移动机构6沿正电极4的轴向移动第二磁场线圈7；或者也可以设置移动机构6能够分别带动第一磁场线圈2在负电极1外沿轴向移动、以及带动第二磁场线圈7在正电极4外沿轴向移动。具体方式可根据正电极和负电极内壁烧蚀状况进行设置。
在一个优选的实施例中，移动机构6包括伺服电机、丝杠和丝杠螺母，其中，根据电极内壁烧蚀状况，可将第一磁场线圈2和/或第二磁场线圈7固定在丝杠螺母上。该伺服电机通过丝杠螺母传动，可以带动第一磁场线圈2在负电极外壳上沿轴向往复移动，和/或带动第二磁场线圈7在正电极外壳上沿轴向往复移动。伺服电机具有工作可靠、控制精度高的优点，通过伺服电机与丝杠螺母的配合带动磁场线圈移动，能够更灵活更精准地控制磁场线圈位置的移动。
该电弧加热器还可以包括电极支座5，前述移动机构6安装在该电极支座5上，该电极支座5用于支撑电弧加热器的正电极、负电极和磁场线圈。应该理解的是，本发明中的移动机构6与磁场线圈及管状电极保持电气绝缘，电极支座5与磁场线圈及管状电极保持电气绝缘。
需要说明的是，本发明对电极支座5的结构与数量、及移动机构6与磁场线圈配合移动的方式的未做特别限定，例如，电极支座5可以设置为同时支撑负电极1和正电极4，也可以设置为有两个电极支座5用以分别支撑负电极1和正电极4。相应地，移动机构6可以设置为在正电极4外往复移动第二磁场线圈7且在负电极1外往复移动第一磁场线圈2，也可以设置有两个移动机构6用以分别在正电极4外移动第二磁场线圈7，或者在负电极1外移动第一磁场线圈2。在正电极4受气体流动作用弧根分散，内壁烧损较少的情况下，可以设置移动机构6仅在负电极1外移动第一磁场线圈2。附图1仅展示了移动机构6在负电极1外移动第一磁场线圈2的情况，并不作为对本发明的限制。
该电弧加热器还包括控制器，按照预定时间间隔控制移动机构6移动第一磁场线圈2，和/或第二磁场线圈7。根据烧损检测结果需要，通过设置预定时间间隔，使得移动机构6按照预定时间间隔移动磁场线圈，可以避免电弧弧根长时间处于同一位置易导致电极内壁烧损，从而能够延长电极寿命。该控制器还可以用于调整第一磁场线圈2、和/或第二磁场线圈7中电流大小。
在此对本发明方案的原理作以说明。电弧受磁场力和气动力作用如图2所示，采用的是圆柱坐标系，Z轴为电极的轴线方向，磁感应强度分解为三个方向分别为：磁感应强度径向分量Br，磁感应强度轴向分量Bz，磁感应强度切向分量Bθ，其中磁感应强度切向分量Bθ为0。电弧弧根部分由于存在三维的扭曲也存在三个分量：电弧径向分量Ir，电弧轴向分量Iz，电弧切向分量Iθ，电弧受到的洛伦兹力也具有三个方向的分量洛伦兹力径向分量Fr，洛伦兹力轴向分量Fz，洛伦兹力切向分量Fθ，旋转气体产生气动力的三个分量为气动力径向分量Gr，气动力轴向分量Gz，气动力切向分量Gθ。洛伦兹力的三个分量分别由以下表达式表示：
Figure BDA0002432401980000071
气体旋转进入弧室后沿电极内壁面向内部压缩，对电弧产生切向力，即气动力切向分量Gθ，与洛伦兹力切向分量Fθ方向一致，能够加强弧根的旋转；同时旋转气体产生轴向力，即气动力轴向分量Gz，气动力轴向分量Gz沿轴向逐渐衰减，在某个位置与洛伦兹力轴向分量Fz相互平衡，如果洛伦兹力轴向分量Fz与气动力轴向分量Gz不平衡会使电弧弧根位置震荡，导致电弧参数波动较大，甚至造成电弧熄灭。
电弧加热器用于高超声速飞行器热环境模拟试验时，弧室3旋转进气流量、压力、速度等参数已根据试验状态确定，弧室3进气产生的气动力的方向如图2所示，气动力切向分量Gθ驱动电弧弧根旋转，同时，气动力轴向分量Gz使电弧向两端拉长。在管状电极外的磁场线圈产生洛仑兹力，洛仑兹力的方向和电流流向如图2所示，洛仑兹力切向分量Fθ与气动力切向分量Gθ叠加，加速电弧弧根的旋转运动，洛仑兹力轴向分量Fz与气动力轴向分量Gz方向相反，推动电弧弧根在管状电极内向轴向缩短的方向移动。当气动力轴向分量Gz与洛仑兹力轴向分量Fz不匹配时，通过改变磁场线圈的位置来改变磁场洛伦兹力轴向分量Fz的位置，控制电弧弧根在电极内壁轴向的某个位置与气动力轴向分量Gz平衡，由此能够控制电弧弧根在电极内的轴向位置并稳定运行。经试验表明，采用本发明改进的电弧加热器，通过洛伦兹力与气动力平衡的方式，控制电弧弧根在电极内的轴向位置并稳定运行，能够实现减少电弧参数的波动的50％以上。还可以通过改变磁场线圈线并匝数及通过改变磁场线圈的电流大小来改变磁场洛伦兹力轴向分量Fz的大小，同样能够控制电弧弧根在电极内壁轴向的某个位置与气动力轴向分量Gz平衡，由此控制电弧弧根在电极内的轴向位置。此外，当电弧加热器电极的内壁面某个位置烧蚀严重时，通过改变磁场线圈的位置，来改变磁场洛伦兹力轴向分量的位置，将电弧弧根移动到电极烧损较小的位置，能够实现电极寿命的延长，与现有磁场线圈固定在电极外壳的方式相比，通过本发明方案改变电弧弧根的烧蚀位置，能够使电极的使用时间延长3-4倍。
本发明还提供了一种移动磁场控制电弧弧根的方法，基于前述任一项的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器实现，该方法包括以下步骤：检测是否满足弧根移动条件，是则通过移动机构调整磁场线圈的位置或者调整此处磁场线圈中电流大小。
在一个优选的实施例中，检测是否满足弧根移动条件可以为：检测弧根烧蚀程度是否达到预设程度；或者当前磁场线圈位置的工作时间是否达到预设时间间隔。其中，当电极内壁的烧蚀深度达到电极壁厚的一半时，即为达到预设程度，此时利用移动机构调整磁场线圈的位置或者调整此处磁场线圈中电流大小，将电弧弧根移动到电极烧损较小的位置；否则不需做调整。或者，当前磁场线圈位置工作时间达到预设时间间隔时，同样可利用移动机构调整磁场线圈的位置或者调整此处磁场线圈中电流大小，将电弧弧根移动到电极烧损较小的位置；否则不需要调整。其中，预设时间间隔根据实际的电流大小和烧蚀情况设置，例如可以是10小时，也可以是20小时。应该理解的是，该方法对磁场线圈的调整包括对第一磁场线圈，和/或第二磁场线圈的调整，在具体实施时根据电极的烧蚀状况进行设定。
需要说明的是，本发明的移动磁场控制电弧弧根的方法的原理与前面高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器相同，因此对于高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器的实施例的具体阐述也适用于该方法。
综上所述，本发明的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器及移动磁场控制电弧弧根的方法，利用电弧加热器弧室旋转进气，产生切向的压力梯度，气动力切向分量驱动电弧弧根旋转，同时，气动力产生轴向分量，使电弧向两端拉长；在电极外设置磁场线圈，磁场线圈产生洛仑兹力，洛仑兹力切向分量与气动力切向分量叠加，加速电弧弧根的旋转运动，洛仑兹力轴向分量与气动力轴向分量方向相反，推动电弧弧根在电极管内轴向缩短的方向移动；在弧室进气参数一定的条件下，通过改变磁场线圈的位置来改变磁场洛伦兹力轴向分量的位置，使电弧弧根在电极内壁轴向的某个位置与气动力轴向分量平衡，从而控制电弧弧根的位置，并提高电弧运行的稳定性。此外，通过改变磁场线圈线并数量及通过磁场线圈中的电流大小，改变磁场洛伦兹力轴向分量的大小，或者通过改变磁场线圈的位置，改变磁场洛伦兹力轴向分量的位置，将电弧弧根从电极烧损严重的位置移动到烧损较小的位置，能够实现电极寿命的延长。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于，包括：管状电极、磁场线圈和移动机构；
所述管状电极包括负电极和正电极，以及连接所述负电极和正电极形成绝缘间隔的弧室；所述弧室上设置有切向进气孔，用于引入高压旋转空气；
所述磁场线圈，包括第一磁场线圈和第二磁场线圈，分别套设在所述负电极和正电极外；
所述移动机构，用于沿所述管状电极的轴向移动所述第一磁场线圈，和/或所述第二磁场线圈。
2.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于：所述磁场线圈产生的洛伦兹力切向分量与气动力切向分量方向相同，所述洛伦兹力轴向分量与气动力轴向分量方向相反。
3.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于：所述移动机构包括伺服电机、丝杠和丝杠螺母；所述磁场线圈固定在所述丝杠螺母上，所述伺服电机通过所述丝杠螺母带动第一磁场线圈在负电极外沿轴向往复移动、和/或带动第二磁场线圈在正电极外沿轴向往复移动。
4.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于：所述切向进气孔的角度为30度至60度。
5.根据权利要求4所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于：所述弧室包括至少三排切向进气孔，且每排切向进气孔的数量为六个。
6.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于，还包括：电极支座；所述电极支座用于支撑所述负电极和正电极。
7.根据权利要求6所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于：所述移动机构安装在所述电极支座上。
8.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器，其特征在于：所述电弧加热器还包括控制器，用于按照预定时间间隔控制移动机构移动所述第一磁场线圈，和/或第二磁场线圈；所述控制器还用于调整第一磁场线圈，和/或第二磁场线圈中电流大小。
9.一种移动磁场控制电弧弧根的方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的高超声速飞行器热环境模拟用电弧加热器实现；所述方法包括以下步骤：
检测是否满足弧根移动条件，是则通过移动机构调整磁场线圈的位置或者调整此处磁场线圈中电流大小。
10.根据权利要求9所述的移动磁场控制电弧弧根的方法，其特征在于，所述检测是否满足弧根移动条件为：
检测弧根烧蚀程度是否达到预设程度；或者
当前磁场线圈位置的工作时间是否达到预设时间间隔。
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