本發(fā)明涉及深空探測領(lǐng)域，特別是氣動熱防護(hù)領(lǐng)域的一種等離子加熱風(fēng)洞。

背景技術(shù)：

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類對深空探測的意愿越來越強(qiáng)，對氣動熱地面模擬技術(shù)的要求也越來越高。早在1964年美國就開始對火星的探測，同時對其他行星的探測研究也在進(jìn)行。我國對深空探測的起步較晚，但近些年隨著綜合國力的增強(qiáng)以及航天領(lǐng)域研究的深入，對深空探測的需求也越來越高。傳統(tǒng)的電弧風(fēng)洞一般直流電弧加熱氣體用來模擬飛行器再入大氣熱環(huán)境，使用的氣體介質(zhì)主要為空氣，直流電弧風(fēng)洞由于電弧加熱器固有的電極燒損現(xiàn)象，一定程度上污染了高溫流場，對于防熱材料真實(shí)氣體效應(yīng)研究和壁面催化效應(yīng)研究帶來影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種1MW高頻等離子加熱風(fēng)洞，用來進(jìn)行飛行器防熱材料真實(shí)氣體效應(yīng)研究和壁面催化效應(yīng)研究，并可進(jìn)一步用于非平衡熱環(huán)境和深空探測研究。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種高頻感應(yīng)等離子加熱風(fēng)洞，包括：高頻等離子發(fā)生器、噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓段、冷卻器和真空機(jī)組；

高頻等離子發(fā)生器使用高頻感應(yīng)-耦合的方式將能量傳輸給氣體，使氣體電離，產(chǎn)生高溫等離子體；高頻等離子發(fā)生器通過噴管與試驗(yàn)段連接，高溫等離子體通過噴管進(jìn)行加速，形成高溫流場；試驗(yàn)段之后依次為擴(kuò)壓段、冷卻器和真空機(jī)組。

所述試驗(yàn)段為一個長方體艙體，各壁面均有水冷冷卻結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為氣密空間，試驗(yàn)?zāi)Ｐ头旁谠囼?yàn)段內(nèi)；

所述擴(kuò)壓段設(shè)置有冷卻水冷卻，工作氣體在擴(kuò)壓段內(nèi)減速增壓；所述冷卻器內(nèi)部布置多層水冷銅管，工作氣體通過冷卻器冷卻到室溫。

所述真空機(jī)組通過真空管道與冷卻器連接，通過變頻運(yùn)行的方式調(diào)節(jié)試驗(yàn)段內(nèi)的真空度，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)段內(nèi)氣體流動的控制；高頻等離子發(fā)生器電離的氣體類型包括二氧化碳、氮?dú)狻鍤饣蛘呖諝狻?/p>

所述高頻等離子發(fā)生器包括內(nèi)環(huán)氣旋子、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件、外環(huán)氣旋子、固定罩、外石英管、外石英管緊固環(huán)、內(nèi)石英管、水冷電感線圈、發(fā)生器與噴嘴連接件、輻射屏蔽倉；

內(nèi)環(huán)氣旋子、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件、外環(huán)氣旋子、固定罩、外石英管、外石英管緊固環(huán)和內(nèi)石英管同軸布置；所述的內(nèi)環(huán)氣旋子、外環(huán)氣旋子為中空且外環(huán)面為旋轉(zhuǎn)溝槽結(jié)構(gòu)，外環(huán)氣旋子溝槽旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)方向一致；

內(nèi)環(huán)氣旋子與外環(huán)氣旋子之間通過內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件固連；內(nèi)石英管套在內(nèi)環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面并與外環(huán)氣旋子之間通過階梯限位；外石英管套在外環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面并通過外石英管緊固環(huán)緊固；外環(huán)氣旋子固定在固定罩的上部，固定罩的下部與輻射屏蔽倉的上部固連，外石英管與內(nèi)石英管部分置于輻射屏蔽倉內(nèi)；輻射屏蔽倉的下部連接發(fā)生器與噴嘴連接件；水冷電感線圈纏繞在位于輻射屏蔽倉內(nèi)外石英管的外圍，線圈末端接高頻電源。

還包括壓力監(jiān)測孔，安裝在內(nèi)環(huán)氣旋子的上部，用于監(jiān)測等離子發(fā)生器內(nèi)的壓力。

所述的內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件還包括一個保護(hù)內(nèi)石英管的薄壁結(jié)構(gòu)，該薄壁結(jié)構(gòu)直接套裝在內(nèi)環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面，且與內(nèi)石英管內(nèi)壁之間保留間隙。

固定罩還包括一個保護(hù)外石英管的薄壁結(jié)構(gòu)，該薄壁結(jié)構(gòu)直接套裝在外環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面，且與外石英管內(nèi)壁之間保留間隙。

所述的薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚1-2mm。

所述內(nèi)環(huán)氣旋子(1)旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度α設(shè)為15～45°；所述外環(huán)氣旋子(3)旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度β設(shè)為15～60°。

所述通過內(nèi)環(huán)氣旋子(1)的氣體量與通過外環(huán)氣旋子(3)的氣體量比例設(shè)為：1/10～5/10；當(dāng)高頻電源提供的電壓10kV以上，通過內(nèi)環(huán)氣旋子(1)和外環(huán)氣旋子(3)的氣體總量保持在20g/s以上，且外環(huán)氣旋子(3)旋轉(zhuǎn)溝槽旋轉(zhuǎn)角度在45～60°范圍內(nèi)調(diào)整，等離子發(fā)生器能夠達(dá)到兆瓦級且穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明包括以下有益效果：

(1)使用高頻感應(yīng)-耦合的方式將能量傳輸給氣體，使氣體電離，產(chǎn)生高溫等離子體，它不象電弧風(fēng)洞存在電極燒損污染流場的問題。

(2)高頻感應(yīng)等離子加熱風(fēng)洞是當(dāng)前唯一能夠提供高化學(xué)純凈、高溫、高速氣流環(huán)境的地面模擬風(fēng)洞設(shè)備，這對于所有與化學(xué)反應(yīng)過程有關(guān)的試驗(yàn)研究都是至關(guān)重要的；并且可采用多種氣體介質(zhì)，包括空氣、氮?dú)狻鍤?、二氧化碳等，能夠滿足深空探測研究對氣體組份的要求。

(3)內(nèi)環(huán)旋子和外環(huán)旋子采用旋轉(zhuǎn)溝槽結(jié)構(gòu)使氣體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)易于加工且阻力小，能夠保證經(jīng)過旋轉(zhuǎn)溝槽的氣體的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

(4)采用內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩層旋子，工作氣體分層旋轉(zhuǎn)進(jìn)入等離子發(fā)生器，一方面滿足發(fā)生器產(chǎn)生高頻等離子體所需的工作氣體，另一方面外環(huán)進(jìn)入的工作氣體作為冷卻氣體對外石英管進(jìn)行充分的冷卻，保證了發(fā)生器在大功率運(yùn)行時外石英管的安全性和可靠性。

(5)由與外石英管和內(nèi)石英管強(qiáng)度較低，若直接與旋子配合易使石英管破碎，在固定罩和內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件上分別設(shè)置一層薄壁結(jié)構(gòu)，薄壁與旋子旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面配合且與石英管內(nèi)壁保留間隙，避免了金屬旋子與易碎的石英管直接配合，對石英管起到保護(hù)作用。

(6)通過設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)氣旋子、外環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量和角度、內(nèi)環(huán)氣與外環(huán)氣的比例、工作氣體量與電源參數(shù)的匹配等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)高頻等離子發(fā)生器的不同工作氣體和不同功率條件下的安全穩(wěn)定工作。

(7)在本發(fā)明結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整工作氣體量、高頻電源輸出電壓、外環(huán)旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽角度等參數(shù)，可使高頻等離子發(fā)生器的最大功率達(dá)到1MW并安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了高頻等離子體技術(shù)的研究和應(yīng)用水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；

圖3為圖1的A-A示意圖；

圖4為圖2的B-B示意圖；

圖5為內(nèi)環(huán)氣旋子示意圖；

圖6為外環(huán)氣旋子示意圖；

圖7為本發(fā)明高頻等離子加熱風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

高頻感應(yīng)熱等離子體由于其頻率高，又稱射頻感應(yīng)耦合等離子體。高頻等離子體產(chǎn)生的原理為：高頻電源提供的高頻電流通過反應(yīng)器的線圈產(chǎn)生變化的磁場與放電管內(nèi)的等離子體耦合，使氣體發(fā)生電離，線圈中的交變磁場產(chǎn)生的感應(yīng)交變電場，在導(dǎo)電氣體中引起電流并產(chǎn)生焦耳熱。

高頻等離子體具有如下特點(diǎn)：(1)高頻等離子體主要依靠強(qiáng)烈的電磁耦合產(chǎn)生，不需要電極，因此不存在電極蒸發(fā)污染的問題，因此產(chǎn)生的等離子體氣氛純凈；(2)焦耳熱效應(yīng)的作用，可以使等離子體流達(dá)到3000～10000K的極高溫度；(3)高頻等離子體體積較大，焰流速度低，溫度分布均勻平坦。因此，高頻等離子體特別適用于難熔顆粒的加工(如球化、固氣反應(yīng)、超細(xì)粉制備等)以及對熱環(huán)境氣氛要求較高的深空探測器熱防護(hù)材料的地面加熱實(shí)驗(yàn)研究等。

高頻感應(yīng)等離子加熱風(fēng)洞采用電磁感應(yīng)的方式加熱氣體，不存在電極污染氣流的問題，與風(fēng)洞連接可提供化學(xué)純凈的高溫流場，用來進(jìn)行飛行器防熱材料真實(shí)氣體效應(yīng)研究和壁面催化效應(yīng)研究，并可進(jìn)一步用于非平衡熱環(huán)境和深空探測研究。

較為典型的高頻等離子體發(fā)生器主要由石英管、高頻線圈以及氣體通道組成，石英管作為感應(yīng)放電室室壁，石英管外饒有水冷的高頻感性線圈，工作氣由上部引入發(fā)生器。但目前現(xiàn)有等離子發(fā)生器由于結(jié)構(gòu)相對簡單，工作氣體的進(jìn)氣位置、進(jìn)氣方式、工作氣體量與電源參數(shù)的匹配、石英管的冷卻較差大功率條件下難以維持等方面的原因，等離子發(fā)生器的最大功率為500kW左右，一定程度上限制了高頻等離子體這一純凈高溫的加熱技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

如圖7所示，本發(fā)明實(shí)施提供的1MW高頻等離子加熱風(fēng)洞，包括：

1MW高頻等離子發(fā)生器101，其由高頻感應(yīng)發(fā)生器和高頻電源組成，使用高頻感應(yīng)-耦合的方式將能量傳輸給氣體，使氣體電離，產(chǎn)生高溫等離子體；高頻等離子發(fā)生器101電離的氣體類型包括二氧化碳、氮?dú)狻鍤饣蛘呖諝狻?/p>

高頻等離子發(fā)生器101通過噴管201與試驗(yàn)段301連接，高溫等離子體通過噴管201進(jìn)行加速，形成高溫流場；試驗(yàn)段301之后依次為擴(kuò)壓段401、冷卻器501和真空機(jī)組6。

噴管201，其上游與1MW高頻等離子發(fā)生器連接101，下游與試驗(yàn)段連接301，工作氣體通過噴管加速，形成試驗(yàn)所需的高溫流場；

試驗(yàn)段301，其為一個長方形艙體，各壁面均有水冷冷卻結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為氣密空間，試驗(yàn)?zāi)Ｐ头旁谠囼?yàn)段內(nèi)；

擴(kuò)壓段401，其與試驗(yàn)段301連接，并有冷卻水冷卻，工作氣體在擴(kuò)壓段內(nèi)減速加壓；

冷卻器501，其與擴(kuò)壓段401連接，內(nèi)部布置多層水冷銅管，工作氣體可以通過冷卻器冷卻到室溫；

真空機(jī)組601，其通過真空管道與冷卻器連接501，為風(fēng)洞系統(tǒng)提供真空環(huán)境；通過變頻運(yùn)行的方式調(diào)節(jié)試驗(yàn)段301內(nèi)的真空度，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)段301內(nèi)氣體流動的控制；

輔助系統(tǒng)，包括供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，為1MW高頻等離子加熱風(fēng)洞提供所需要動力和水、氣系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的高頻感應(yīng)等離子加熱風(fēng)洞是當(dāng)前唯一能夠提供高化學(xué)純凈、高溫、高速氣流環(huán)境的地面模擬風(fēng)洞設(shè)備，并且能夠滿足深空探測研究對氣體組份的要求。

本發(fā)明高頻等離子發(fā)生器101的工作原理是：水冷電感線圈纏繞在外石英管外圍，線圈末端接高頻電源，當(dāng)交變的高頻電流通過電感線圈時在外石英管內(nèi)產(chǎn)生變化的磁場，由法拉第定律得知，石英管內(nèi)變化的磁場又感應(yīng)出電場，進(jìn)入發(fā)生器的氣體在變化的磁場作用下發(fā)生電離并產(chǎn)生焦耳熱，適當(dāng)控制電流和氣體流量以形成穩(wěn)定持續(xù)的高溫等離子體氣流。工作氣體分內(nèi)外兩層旋轉(zhuǎn)進(jìn)入等離子發(fā)生器，內(nèi)環(huán)工作氣體通過內(nèi)環(huán)氣旋子沿內(nèi)石英管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)生器，通過電磁感應(yīng)區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體；外環(huán)工作氣體通過外環(huán)氣旋子沿外石英管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)生器，一方面作為工作氣體通過電磁感應(yīng)區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體，另一方面緊貼外石英管壁面的冷氣流對外石英管進(jìn)行冷卻，保證發(fā)生器在大功率運(yùn)行時外石英管不被高溫等離子體氣流燒損。

如圖1-3所示，雙旋子兆瓦級高頻感應(yīng)等離子發(fā)生器，包括：內(nèi)環(huán)氣旋子1、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件2、外環(huán)氣旋子3、固定罩4、外石英管6、外石英管緊固環(huán)5、內(nèi)石英管7、水冷電感線圈8、發(fā)生器與噴嘴連接件9、輻射屏蔽倉10和壓力監(jiān)測孔11。內(nèi)環(huán)氣旋子1、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件2、外環(huán)氣旋子3、固定罩4、外石英管6、外石英管緊固環(huán)5和內(nèi)石英管7同軸布置；部分工作氣體通過內(nèi)環(huán)氣旋子1沿內(nèi)石英管7內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)生器，作為工作氣體通過電磁感應(yīng)區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體，內(nèi)環(huán)氣旋子1溝槽旋轉(zhuǎn)角度為α；另一部分工作氣體通過外環(huán)氣旋子3沿外石英管6內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)生器，一方面作為工作氣體通過電磁感應(yīng)區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體，另一方面緊貼外石英管壁面的冷氣流對外石英管進(jìn)行冷卻以防止其被高溫等離子體氣流燒損，外環(huán)氣旋子3溝槽旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)方向一致，溝槽旋轉(zhuǎn)角度為β。水冷電感線圈8纏繞在外石英管外圍，線圈末端接高頻電源，交變的高頻電流通過電感線圈時在外石英管6內(nèi)產(chǎn)生變化的磁場，通過外環(huán)氣旋子和內(nèi)環(huán)氣旋子進(jìn)入發(fā)生器的氣體在變化的磁場作用下發(fā)生電離并產(chǎn)生焦耳熱，適當(dāng)控制電流和氣體流量以形成穩(wěn)定持續(xù)的高溫等離子體氣流。

如圖4所示，在內(nèi)環(huán)氣旋子、內(nèi)環(huán)旋子與外環(huán)旋子連接件、外環(huán)旋子和固定罩上均設(shè)有冷卻水通道，且相互連通，冷卻水的入口和出口均集成在內(nèi)環(huán)氣旋子上，通過循環(huán)冷卻水對以上部件進(jìn)行冷卻。

如圖5所示，內(nèi)環(huán)氣旋子1旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度α設(shè)為15～45°。

如圖6所示，外環(huán)氣旋子3旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度β設(shè)為15～60°。

通過內(nèi)環(huán)氣旋子1的氣體量與通過外環(huán)氣旋子3的氣體量比例設(shè)為：1/10～5/10。

在上述的雙旋子兆瓦級高頻感應(yīng)等離子發(fā)生器中，發(fā)生器最大功率為1MW。

本發(fā)明未公開技術(shù)屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。