一种大功率超高焓电弧加热器的制作方法

本实用新型属于气动热地面模拟实验技术领域，特别涉及一种大功率超高焓电弧加热器。

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，飞船进入金星大气层时，其表面将经受严重的气动加热及辐射加热，周围环境气流总焓将达到100MJ/kg，进行地面模拟试验时，需要功率超过1MW的电弧加热器提供总焓超过100MJ/kg的气流。开发研制大功率超高焓电弧加热器是很有必要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种大功率超高焓电弧加热器，用于提供大功率超高焓气流。

本实用新型提供如下技术方案：

一种大功率超高焓电弧加热器，包括：阴极、压缩段、等直段、扩散段和阳极组件；

阴极与压缩段的一端固定连接，阴极端头在电压作用下发射电子，将工作气体电离，形成电弧，电弧正极附着在阴极端头上；

压缩段的另一端与等直段固定连接，阴极、压缩段和等直段形成一个气流通道；等直段之后连接扩散段，形成一个扩张喷管，对电弧进行扩张加速和电磁场加速；

阳极组件固定在扩散段的出口端，包含若干个扩散阳极，用于接收阴极发射的电子，电弧负极附着在扩散阳极上。

所述阴极、压缩段和等直段形成的气流通道内壁上喷涂有隔热材料。

所述压缩段的内部气流通道为直径逐渐减小的圆锥面，使得进入等直段的气体压力升高。

所述等直段内部气流通道的直径不变，且与压缩段的内部气流通道的最小直径以及扩散段的最小直径相同。

所述压缩段、等直段和扩散段均包括多个环状金属片和环状绝缘片，金属片和绝缘片交替排列。

所述阴极选用熔点高于3000摄氏度的金属材料。

所述等直段的长径比为25～40。

所述压缩段的压缩角为20°～60°

所述扩散段的扩张角为40°～60°

本实用新型包括以下有益效果：

(1)压缩段提高了气流压力，使得电弧电压提高。

(2)若干个扩散阳极允许大电流运行。

(3)阴极不采用冷却结构，减少电弧的能量损失，有利于提高气流总焓。

(4)合理设计了等直段的长径比，使工作气体与电弧充分混合，增加电弧对工作气体的加热效率，有利于提高气流总焓。

(5)阴极、压缩段和等直段形成的气流通道内壁上喷涂有隔热材料，减少了气流通道内壁吸收热量，进一步提高了电弧对工作气体的加热效率，有利于提高气流总焓。

(6)合理设计扩散段的扩张角，令电弧自身产生的磁场力将电弧推向加热器出口，大幅度提高了气流总焓。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种大功率超高焓电弧加热器的结构示意图；

图2为本实用新型所述的一种大功率超高焓电弧加热器的运行原理图；

具体实施方式

本实用新型所涉及的大功率超高焓电弧加热器，其结构和运行原理与现有的电弧加热器不同。通过大电流离解气体介质产生电弧，电弧在对气体介质进行加热的同时产生磁场，磁场对电弧中的等离子体产生推力，将等离子体推向加热器出口，形成超高焓气流，气流中心总焓高达110MJ/kg。通过合理的结构设计，加热器运行功率超过1MW，可以满足高速高空再入及星际探测再入飞行器的防热材料气动热考核试验需求。

如图1所示，本实用新型提供了一种大功率超高焓电弧加热器，包括：阴极1、压缩段2、等直段3、扩散段4和阳极组件5。相邻两个部件之间应保证气密连接，同时保证相互实现电气绝缘。

阴极1与压缩段2的一端固定连接，阴极端头在电压作用下发射电子，将工作气体电离，形成电弧，电弧正极附着在阴极端头上，阴极端头可以设计突出的头部，便于固定弧根位置。

压缩段2的另一端与等直段3固定连接，阴极1、压缩段2和等直段3形成一个气流通道，工作气体从所述压缩段的入口处引入所述气流通道，令工作气体与电弧充分混合。

等直段3之后连接扩散段4，形成一个扩张喷管，对电弧进行扩张加速和电磁场加速，扩张引起电弧出现弯曲，弯曲的电弧内部的等离子体在磁场的作用下被推向加热器出口。

阳极组件5固定在扩散段4的出口端，包含若干个扩散阳极，用于接收阴极发射的电子，电弧负极附着在扩散阳极上，扩散阳极可以支持大电流运行，若干个扩散阳极组合成阳极组件，允许更大的电流运行。

所述阴极1、压缩段2和等直段3形成的气流通道内壁上喷涂有隔热材料，令电弧和气流通道内壁的热交换减少，增加加热器的加热效率，利于提高气流总焓。

所述压缩段2的内部气流通道为直径逐渐减小的圆锥面，令进入等直段3的气体压力升高，提高电弧的电位梯度，增加电弧电压。

等直段3内部气流通道的直径不变，且与压缩段2的内部气流通道的最小直径以及扩散段4的最小直径相同，保证气流通道直径不产生逆气流的台阶。

压缩段2、等直段3和扩散段4均包括多个环状金属片和环状绝缘片，金属片和绝缘片交替排列，防止电弧中的电流沿金属片表面传导。

阴极1选用熔点高于3000摄氏度的金属材料，令阴极在没有冷却的情况下安全运行。

等直段3的长径比为25～40，长径比小于25电弧电压低，造成电弧功率低；长径比大于40电弧能量损失大，造成气流总焓低。

压缩段的压缩角为20°～60°，压缩角小于20°气流压力低，造成电弧电压低；压缩角大于60°气流冲刷压缩段内表面，不利于安全运行。

扩散段4的扩张角为40°～60°，扩张角小于40°磁场力将电弧核心区推向加热器出口下游，扩张角大于60°磁场力将电弧核心区推向加热器出口中心。

为使本实用新型技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型做详细说明。

实施例：

如图2所示，本实用新型提供的一种大功率超高焓电弧加热器实施例，包括：阴极1、压缩段2、等直段3、扩散段4和阳极组件5。相邻两个部件之间采用密封圈和螺栓实现气密连接，通过设置绝缘板实现电气绝缘。

阴极1与压缩段2的一端通过密封圈和螺栓实现密封连接，阴极端头在电压作用下发射电子，将工作气体电离，形成电弧，电弧正极附着在阴极端头上，阴极端头设计突出的头部，弧根附着在所述的头部。

压缩段2的另一端与等直段3采用密封圈和螺栓实现气密连接，阴极1、压缩段2和等直段3形成一个气流通道，工作气体从所述压缩段的入口处引入所述气流通道，令工作气体与电弧充分混合。

等直段3之后连接扩散段4，形成一个扩张喷管，对电弧进行扩张加速和电磁场加速，扩张引起电弧出现弯曲，弯曲的电弧内部的等离子体在磁场的作用下被推向加热器出口。

阳极组件5固定在扩散段4的出口端，包含二个扩散阳极，用于接收阴极发射的电子，电弧负极附着在扩散阳极上，扩散阳极可以支持大电流运行，若干个扩散阳极组合成阳极组件，允许更大的电流运行。

所述阴极1、压缩段2和等直段3形成的气流通道内壁上喷涂有隔热材料，令电弧和气流通道内壁的热交换减少，增加加热器的加热效率，利于提高气流总焓。

所述压缩段2的内部气流通道为直径由Ф100mm逐渐减小到Ф40mm的圆锥面，令进入等直段3的气体压力升高，提高电弧的电位梯度，增加电弧电压。

所述等直段3内部气流通道的直径Ф40mm，且与压缩段2的内部气流通道的最小直径以及扩散段4的最小直径相同，保证气流通道直径不产生逆气流的台阶。

所述压缩段2、等直段3和扩散段4均包括多个环状金属片和环状绝缘片，金属片和绝缘片交替排列，防止电弧中的电流沿金属片表面传导。

所述阴极1选用熔点高于3000摄氏度的钍钨合金，令阴极在没有冷却的情况下安全运行。

所述等直段3的长径比为35。

所述压缩段的压缩角为40°。

所述扩散段4的扩张角为50°，电弧电流j产生磁场B，磁场力j×B将电弧核心区推向加热器出口，且将电弧核心区向加热器轴线方向压缩。

为了证明本实用新型提供的大功率超高焓电弧加热器性能优于普通电弧加热器，进行了对比试验。试验条件为：工作气体质量流量为2g/s，电弧电流2000A。使用普通电弧加热器得到电弧功率0.3MW、气流总焓20MJ/kg，使用本实施例所述的大功率超高焓电弧加热器，得到电弧功率2MW、气流总焓100MJ/kg。

本实用新型提供的大功率超高焓电弧加热器，可以提供大功率电弧和超高焓气流，可以应用于深空探测地面模拟实验研究。