超音速等離子噴槍的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種超音速等離子噴槍。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，其中包含大量的電子、離子以及中性粒子，這些粒子處于一種局部熱平衡狀態(tài)，其具有高能量密度、高亮度、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率等特性，這些性質(zhì)決定等離子體在航空航天領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。等離子噴槍利用陰極和陽(yáng)極之間直流放電形成的高溫電弧加熱推進(jìn)劑，推進(jìn)劑進(jìn)入約束通道后被電弧加熱到1.0XlO4K以上的極高溫度后發(fā)生電離，然后流經(jīng)兼做陽(yáng)極的噴管擴(kuò)張段，膨脹后高速噴出產(chǎn)生反作用推力。
[0003]然而，現(xiàn)有的中功率等離子噴槍的陰極使用圓錐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致噴槍電弧電壓不夠穩(wěn)定，電極壽命短；陽(yáng)極噴嘴所采用的拉瓦爾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致射流能量密度和速度較低，若想使射流速度達(dá)到超音速，需要很大的功率才能夠?qū)崿F(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在較小的功率下即可達(dá)到超音速的射流，且噴嘴和電極使用壽命長(zhǎng)，射流穩(wěn)定，成本低的超音速等離子噴槍。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
[0006]一種超音速等離子噴槍，包括絕緣槍體，與絕緣槍體同軸固連的陽(yáng)極噴嘴和設(shè)置在絕緣槍體和陽(yáng)極噴嘴內(nèi)的陰極，所述陰極的前端為圓臺(tái)，陽(yáng)極噴嘴的噴嘴氣流通道由與絕緣槍體的槍體氣流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦爾噴管通道段組成，陰極的前端位于陽(yáng)極噴嘴的直通道段內(nèi)，拉瓦爾噴管通道段的收縮段與陰極前端的圓臺(tái)形狀相配合。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):
[0008]本發(fā)明的超音速等離子噴槍的陽(yáng)極噴嘴和陰極均采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在功率小于30KW下，就能夠得到超音速的等離子體射流速度(Ma>2.2);噴槍的噴嘴和電極使用壽命長(zhǎng)，射流穩(wěn)定，成本低。
[0009]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明超音速等離子噴槍的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明超音速等離子噴槍陽(yáng)極噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]結(jié)合圖1和圖2:
[0013]本發(fā)明一種超音速等離子噴槍，包括絕緣槍體1，與絕緣槍體I同軸固連的陽(yáng)極噴嘴2和設(shè)置在絕緣槍體I和陽(yáng)極噴嘴2內(nèi)的陰極3，所述陰極3的前端為圓臺(tái)，陽(yáng)極噴嘴2的噴嘴氣流通道2-1由與絕緣槍體I的槍體氣流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦爾噴管通道段組成，陰極3的前端位于陽(yáng)極噴嘴2的直通道段內(nèi)，拉瓦爾噴管通道段的收縮段與陰極3前端的圓臺(tái)形狀相配合。
[0014]噴嘴氣流通道2-1的拉瓦爾噴管通道段沿氣流方向的入口直徑為Cl1、喉部直徑為d2、出口直徑為 d3，其中，山為 14.0 ?16.0mm、d 2為 2.0 ?4.0mm、d 3為 3.4 ?5.4mm。
[0015]噴嘴氣流通道2-1的拉瓦爾噴管通道段的壓縮角&1為60°?90°。
[0016]陰極3前端的圓臺(tái)的下底半徑為6mm，上底半徑為5mm。
[0017]陽(yáng)極噴嘴2材料為紫銅。
[0018]本發(fā)明陰極3前端的圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，有利于引弧和穩(wěn)弧，也可防止尖點(diǎn)燒損，陰極前端部的錐角應(yīng)與噴嘴的壓縮角相配合。
[0019]本發(fā)明為達(dá)到等離子射流速度最大，同時(shí)射流出口的壓力與環(huán)境壓力相等的目的，陽(yáng)極噴嘴2的入口(上游段)是收斂截面，緊接著一個(gè)喉部(徑向尺寸最小)，出口(下游段)是擴(kuò)張形截面，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可得出喉部直徑對(duì)噴槍結(jié)構(gòu)性能影響最大，喉部直徑為2.0?4.0mm,噴嘴出口直徑為3.4?5.4mm (即擴(kuò)張段擴(kuò)張角為20° )。這個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)下產(chǎn)生的等離子體射流在噴槍內(nèi)具有最高的速度，同時(shí)在噴管出口處射流壓強(qiáng)與環(huán)境壓強(qiáng)一致，射流為最佳膨脹狀態(tài)，不存在激波。
[0020]通過(guò)優(yōu)化陽(yáng)極噴嘴結(jié)構(gòu)，在相同的功率，環(huán)境壓強(qiáng)為常壓的情況下:
[0021]實(shí)施例1:
[0022]當(dāng)陽(yáng)極入口直徑山為15mm，喉部直徑(12為2.0mm,出口直徑(13為3.4mm,陽(yáng)極壓縮角為80時(shí)，在噴嘴出口處馬赫數(shù)Ma達(dá)到2.41，達(dá)到超音速等離子體射流的要求。
[0023]實(shí)施例2:
[0024]當(dāng)陽(yáng)極入口直徑山為15mm，喉部直徑(12為3.0mm,出口直徑(13為4.4mm,陽(yáng)極壓縮角為60時(shí)，在噴嘴出口處馬赫數(shù)Ma達(dá)到2.37，達(dá)到超音速等離子體射流的要求。
[0025]實(shí)施例3:
[0026]當(dāng)陽(yáng)極入口直徑山為15mm，喉部直徑(12為4.0mm,出口直徑d3為5.4mm,陽(yáng)極壓縮角為90時(shí)，在噴嘴出口處馬赫數(shù)Ma達(dá)到2.38，達(dá)到超音速等離子體射流的要求。
[0027]且以上三種實(shí)施方式出口壓強(qiáng)均達(dá)到環(huán)境壓強(qiáng)，射流為最佳膨脹狀態(tài)，不存在激波。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超音速等離子噴槍，包括絕緣槍體(I)，與絕緣槍體(I)同軸固連的陽(yáng)極噴嘴(2)和設(shè)置在絕緣槍體(I)和陽(yáng)極噴嘴(2)內(nèi)的陰極(3)，其特征在于:所述陰極(3)的前端為圓臺(tái)，陽(yáng)極噴嘴(2)的噴嘴氣流通道(2-1)由與絕緣槍體(I)的槍體氣流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦爾噴管通道段組成，陰極(3)的前端位于陽(yáng)極噴嘴(2)的直通道段內(nèi)，拉瓦爾噴管通道段的收縮段與陰極(3)前端的圓臺(tái)形狀相配合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速等離子噴槍，其特征在于:所述噴嘴氣流通道(2-1)的拉瓦爾噴管通道段沿氣流方向的入口直徑為Cl1、喉部直徑為d2、出口直徑為d3，其中，山為14.0 ?16.0mm、d2為 2.0 ?4.0mm、d 3為 3.4 ?5.4mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速等離子噴槍，其特征在于:所述噴嘴氣流通道(2-1)的拉瓦爾噴管通道段的壓縮角％為60°?90°。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速等離子噴槍，其特征在于:所述陰極(3)前端的圓臺(tái)的下底半徑為6mm，上底半徑為5mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速等離子噴槍，其特征在于:所述陽(yáng)極噴嘴(2)材料為紫銅。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種超音速等離子噴槍，包括絕緣槍體，與絕緣槍體同軸固連的陽(yáng)極噴嘴和設(shè)置在絕緣槍體和陽(yáng)極噴嘴內(nèi)的陰極，所述陰極的前端為圓臺(tái)，陽(yáng)極噴嘴的噴嘴氣流通道由與絕緣槍體的槍體氣流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦爾噴管通道段組成，陰極的前端位于陽(yáng)極噴嘴的直通道段內(nèi)，拉瓦爾噴管通道段的收縮段與陰極前端的圓臺(tái)形狀相配合。本發(fā)明的陽(yáng)極噴嘴和陰極均采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在功率小于30KW下，就能夠得到超音速的等離子體射流速度(Ma>2.2)；噴槍的噴嘴和電極使用壽命長(zhǎng)，射流穩(wěn)定，成本低。
【IPC分類】H05H1/34
【公開(kāi)號(hào)】CN105025648
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510444688
【發(fā)明人】杜鎮(zhèn)志, 楊海, 朱亮, 李映坤, 劉銳, 陳雄, 鄭健
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年7月24日