本發(fā)明屬于氣動(dòng)熱地面模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大功率超高焓電弧加熱器。

背景技術(shù)：

航天飛行器在再入大氣層時(shí)其表面將經(jīng)受嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱及輻射加熱，這一特點(diǎn)要求飛行器裝載防熱系統(tǒng)。防熱系統(tǒng)的防熱材料需要在地面進(jìn)行氣動(dòng)熱實(shí)驗(yàn)以考核其防熱性能，氣動(dòng)熱實(shí)驗(yàn)一般在等離子電弧風(fēng)洞中進(jìn)行，加熱器作為加熱設(shè)備被廣泛應(yīng)用。

隨著氣動(dòng)熱地面模擬技術(shù)的發(fā)展，各種類型的電弧加熱器被研制出來并應(yīng)用于氣動(dòng)熱地面模擬實(shí)驗(yàn)。由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的限制，各類電弧加熱器均有其模擬范圍。例如，管狀電弧加熱器用來模擬高壓、低焓環(huán)境，片式和段式電弧加熱器用于模擬中高壓、中低焓環(huán)境，高頻感應(yīng)電弧加熱器用于模擬低壓、高焓環(huán)境。

在現(xiàn)代氣動(dòng)熱地面模擬技術(shù)中越來越需要?jiǎng)?chuàng)造極端高溫來履行多種功能。其中一項(xiàng)功能就是模擬地球大氣層或者其他行星大氣層中的太空飛行或者超音速飛行條件，考核防熱材料的防熱性能。例如，飛船進(jìn)入金星大氣層時(shí)，其表面將經(jīng)受嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱及輻射加熱，周圍環(huán)境氣流總焓將達(dá)到100MJ/kg，進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)時(shí)，需要功率超過1MW的電弧加熱器提供總焓超過100MJ/kg的氣流。開發(fā)研制大功率超高焓電弧加熱器是很有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大功率超高焓電弧加熱器，用于提供大功率超高焓氣流。

本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種大功率超高焓電弧加熱器，包括：陰極、壓縮段、等直段、擴(kuò)散段和陽極組件；

陰極與壓縮段的一端固定連接，陰極端頭在電壓作用下發(fā)射電子，將工作氣體電離，形成電弧，電弧正極附著在陰極端頭上；

壓縮段的另一端與等直段固定連接，陰極、壓縮段和等直段形成一個(gè)氣流通道；等直段之后連接擴(kuò)散段，形成一個(gè)擴(kuò)張噴管，對(duì)電弧進(jìn)行擴(kuò)張加速和電磁場(chǎng)加速；

陽極組件固定在擴(kuò)散段的出口端，包含若干個(gè)擴(kuò)散陽極，用于接收陰極發(fā)射的電子，電弧負(fù)極附著在擴(kuò)散陽極上。

所述陰極、壓縮段和等直段形成的氣流通道內(nèi)壁上噴涂有隔熱材料。

所述壓縮段的內(nèi)部氣流通道為直徑逐漸減小的圓錐面，使得進(jìn)入等直段的氣體壓力升高。

所述等直段內(nèi)部氣流通道的直徑不變，且與壓縮段的內(nèi)部氣流通道的最小直徑以及擴(kuò)散段的最小直徑相同。

所述壓縮段、等直段和擴(kuò)散段均包括多個(gè)環(huán)狀金屬片和環(huán)狀絕緣片，金屬片和絕緣片交替排列。

所述陰極選用熔點(diǎn)高于3000攝氏度的金屬材料。

所述等直段的長(zhǎng)徑比為25～40。

所述壓縮段的壓縮角為20°～60°

所述擴(kuò)散段的擴(kuò)張角為40°～60°

本發(fā)明包括以下有益效果：

(1)壓縮段提高了氣流壓力，使得電弧電壓提高。

(2)若干個(gè)擴(kuò)散陽極允許大電流運(yùn)行。

(3)陰極不采用冷卻結(jié)構(gòu)，減少電弧的能量損失，有利于提高氣流總焓。

(4)合理設(shè)計(jì)了等直段的長(zhǎng)徑比，使工作氣體與電弧充分混合，增加電弧對(duì)工作氣體的加熱效率，有利于提高氣流總焓。

(5)陰極、壓縮段和等直段形成的氣流通道內(nèi)壁上噴涂有隔熱材料，減少了氣流通道內(nèi)壁吸收熱量，進(jìn)一步提高了電弧對(duì)工作氣體的加熱效率，有利于提高氣流總焓。

(6)合理設(shè)計(jì)擴(kuò)散段的擴(kuò)張角，令電弧自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)力將電弧推向加熱器出口，大幅度提高了氣流總焓。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種大功率超高焓電弧加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的一種大功率超高焓電弧加熱器的運(yùn)行原理圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所涉及的大功率超高焓電弧加熱器，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理與現(xiàn)有的電弧加熱器不同。通過大電流離解氣體介質(zhì)產(chǎn)生電弧，電弧在對(duì)氣體介質(zhì)進(jìn)行加熱的同時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)對(duì)電弧中的等離子體產(chǎn)生推力，將等離子體推向加熱器出口，形成超高焓氣流，氣流中心總焓高達(dá)110MJ/kg。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加熱器運(yùn)行功率超過1MW，可以滿足高速高空再入及星際探測(cè)再入飛行器的防熱材料氣動(dòng)熱考核試驗(yàn)需求。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種大功率超高焓電弧加熱器，包括：陰極1、壓縮段2、等直段3、擴(kuò)散段4和陽極組件5。相鄰兩個(gè)部件之間應(yīng)保證氣密連接，同時(shí)保證相互實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。

陰極1與壓縮段2的一端固定連接，陰極端頭在電壓作用下發(fā)射電子，將工作氣體電離，形成電弧，電弧正極附著在陰極端頭上，陰極端頭可以設(shè)計(jì)突出的頭部，便于固定弧根位置。

壓縮段2的另一端與等直段3固定連接，陰極1、壓縮段2和等直段3形成一個(gè)氣流通道，工作氣體從所述壓縮段的入口處引入所述氣流通道，令工作氣體與電弧充分混合。

等直段3之后連接擴(kuò)散段4，形成一個(gè)擴(kuò)張噴管，對(duì)電弧進(jìn)行擴(kuò)張加速和電磁場(chǎng)加速，擴(kuò)張引起電弧出現(xiàn)彎曲，彎曲的電弧內(nèi)部的等離子體在磁場(chǎng)的作用下被推向加熱器出口。

陽極組件5固定在擴(kuò)散段4的出口端，包含若干個(gè)擴(kuò)散陽極，用于接收陰極發(fā)射的電子，電弧負(fù)極附著在擴(kuò)散陽極上，擴(kuò)散陽極可以支持大電流運(yùn)行，若干個(gè)擴(kuò)散陽極組合成陽極組件，允許更大的電流運(yùn)行。

所述陰極1、壓縮段2和等直段3形成的氣流通道內(nèi)壁上噴涂有隔熱材料，令電弧和氣流通道內(nèi)壁的熱交換減少，增加加熱器的加熱效率，利于提高氣流總焓。

所述壓縮段2的內(nèi)部氣流通道為直徑逐漸減小的圓錐面，令進(jìn)入等直段3的氣體壓力升高，提高電弧的電位梯度，增加電弧電壓。

等直段3內(nèi)部氣流通道的直徑不變，且與壓縮段2的內(nèi)部氣流通道的最小直徑以及擴(kuò)散段4的最小直徑相同，保證氣流通道直徑不產(chǎn)生逆氣流的臺(tái)階。

壓縮段2、等直段3和擴(kuò)散段4均包括多個(gè)環(huán)狀金屬片和環(huán)狀絕緣片，金屬片和絕緣片交替排列，防止電弧中的電流沿金屬片表面?zhèn)鲗?dǎo)。

陰極1選用熔點(diǎn)高于3000攝氏度的金屬材料，令陰極在沒有冷卻的情況下安全運(yùn)行。

等直段3的長(zhǎng)徑比為25～40，長(zhǎng)徑比小于25電弧電壓低，造成電弧功率低；長(zhǎng)徑比大于40電弧能量損失大，造成氣流總焓低。

壓縮段的壓縮角為20°～60°，壓縮角小于20°氣流壓力低，造成電弧電壓低；壓縮角大于60°氣流沖刷壓縮段內(nèi)表面，不利于安全運(yùn)行。

擴(kuò)散段4的擴(kuò)張角為40°～60°，擴(kuò)張角小于40°磁場(chǎng)力將電弧核心區(qū)推向加熱器出口下游，擴(kuò)張角大于60°磁場(chǎng)力將電弧核心區(qū)推向加熱器出口中心。

為使本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

如圖2所示，本發(fā)明提供的一種大功率超高焓電弧加熱器實(shí)施例，包括：陰極1、壓縮段2、等直段3、擴(kuò)散段4和陽極組件5。相鄰兩個(gè)部件之間采用密封圈和螺栓實(shí)現(xiàn)氣密連接，通過設(shè)置絕緣板實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。

陰極1與壓縮段2的一端通過密封圈和螺栓實(shí)現(xiàn)密封連接，陰極端頭在電壓作用下發(fā)射電子，將工作氣體電離，形成電弧，電弧正極附著在陰極端頭上，陰極端頭設(shè)計(jì)突出的頭部，弧根附著在所述的頭部。

壓縮段2的另一端與等直段3采用密封圈和螺栓實(shí)現(xiàn)氣密連接，陰極1、壓縮段2和等直段3形成一個(gè)氣流通道，工作氣體從所述壓縮段的入口處引入所述氣流通道，令工作氣體與電弧充分混合。

等直段3之后連接擴(kuò)散段4，形成一個(gè)擴(kuò)張噴管，對(duì)電弧進(jìn)行擴(kuò)張加速和電磁場(chǎng)加速，擴(kuò)張引起電弧出現(xiàn)彎曲，彎曲的電弧內(nèi)部的等離子體在磁場(chǎng)的作用下被推向加熱器出口。

陽極組件5固定在擴(kuò)散段4的出口端，包含二個(gè)擴(kuò)散陽極，用于接收陰極發(fā)射的電子，電弧負(fù)極附著在擴(kuò)散陽極上，擴(kuò)散陽極可以支持大電流運(yùn)行，若干個(gè)擴(kuò)散陽極組合成陽極組件，允許更大的電流運(yùn)行。

所述陰極1、壓縮段2和等直段3形成的氣流通道內(nèi)壁上噴涂有隔熱材料，令電弧和氣流通道內(nèi)壁的熱交換減少，增加加熱器的加熱效率，利于提高氣流總焓。

所述壓縮段2的內(nèi)部氣流通道為直徑由Ф100mm逐漸減小到Ф40mm的圓錐面，令進(jìn)入等直段3的氣體壓力升高，提高電弧的電位梯度，增加電弧電壓。

所述等直段3內(nèi)部氣流通道的直徑Ф40mm，且與壓縮段2的內(nèi)部氣流通道的最小直徑以及擴(kuò)散段4的最小直徑相同，保證氣流通道直徑不產(chǎn)生逆氣流的臺(tái)階。

所述壓縮段2、等直段3和擴(kuò)散段4均包括多個(gè)環(huán)狀金屬片和環(huán)狀絕緣片，金屬片和絕緣片交替排列，防止電弧中的電流沿金屬片表面?zhèn)鲗?dǎo)。

所述陰極1選用熔點(diǎn)高于3000攝氏度的釷鎢合金，令陰極在沒有冷卻的情況下安全運(yùn)行。

所述等直段3的長(zhǎng)徑比為35。

所述壓縮段的壓縮角為40°。

所述擴(kuò)散段4的擴(kuò)張角為50°，電弧電流j產(chǎn)生磁場(chǎng)B，磁場(chǎng)力j×B將電弧核心區(qū)推向加熱器出口，且將電弧核心區(qū)向加熱器軸線方向壓縮。

為了證明本發(fā)明提供的大功率超高焓電弧加熱器性能優(yōu)于普通電弧加熱器，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：工作氣體質(zhì)量流量為2g/s，電弧電流2000A。使用普通電弧加熱器得到電弧功率0.3MW、氣流總焓20MJ/kg，使用本實(shí)施例所述的大功率超高焓電弧加熱器，得到電弧功率2MW、氣流總焓100MJ/kg。

本發(fā)明提供的大功率超高焓電弧加熱器，可以提供大功率電弧和超高焓氣流，可以應(yīng)用于深空探測(cè)地面模擬實(shí)驗(yàn)研究。