超音速等离子喷枪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天推进技术领域，特别是一种超音速等离子喷枪。
【背景技术】
[0002]等离子体作为物质的第四态，其中包含大量的电子、离子以及中性粒子，这些粒子处于一种局部热平衡状态，其具有高能量密度、高亮度、高电导率、高热导率等特性，这些性质决定等离子体在航空航天领域有很大的应用空间。等离子喷枪利用阴极和阳极之间直流放电形成的高温电弧加热推进剂，推进剂进入约束通道后被电弧加热到1.0XlO4K以上的极高温度后发生电离，然后流经兼做阳极的喷管扩张段，膨胀后高速喷出产生反作用推力。
[0003]然而，现有的中功率等离子喷枪的阴极使用圆锥结构，导致喷枪电弧电压不够稳定，电极寿命短；阳极喷嘴所采用的拉瓦尔结构设计不合理导致射流能量密度和速度较低，若想使射流速度达到超音速，需要很大的功率才能够实现。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种能够在较小的功率下即可达到超音速的射流，且喷嘴和电极使用寿命长，射流稳定，成本低的超音速等离子喷枪。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:
[0006]一种超音速等离子喷枪，包括绝缘枪体，与绝缘枪体同轴固连的阳极喷嘴和设置在绝缘枪体和阳极喷嘴内的阴极，所述阴极的前端为圆台，阳极喷嘴的喷嘴气流通道由与绝缘枪体的枪体气流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦尔喷管通道段组成，阴极的前端位于阳极喷嘴的直通道段内，拉瓦尔喷管通道段的收缩段与阴极前端的圆台形状相配合。
[0007]本发明与现有技术相比，其显著优点:
[0008]本发明的超音速等离子喷枪的阳极喷嘴和阴极均采用特殊的结构设计，在功率小于30KW下，就能够得到超音速的等离子体射流速度(Ma>2.2);喷枪的喷嘴和电极使用寿命长，射流稳定，成本低。
[0009]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0010]图1是本发明超音速等离子喷枪的结构示意图。
[0011]图2是本发明超音速等离子喷枪阳极喷嘴结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]结合图1和图2:
[0013]本发明一种超音速等离子喷枪，包括绝缘枪体1，与绝缘枪体I同轴固连的阳极喷嘴2和设置在绝缘枪体I和阳极喷嘴2内的阴极3，所述阴极3的前端为圆台，阳极喷嘴2的喷嘴气流通道2-1由与绝缘枪体I的枪体气流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦尔喷管通道段组成，阴极3的前端位于阳极喷嘴2的直通道段内，拉瓦尔喷管通道段的收缩段与阴极3前端的圆台形状相配合。
[0014]喷嘴气流通道2-1的拉瓦尔喷管通道段沿气流方向的入口直径为Cl1、喉部直径为d2、出口直径为 d3，其中，山为 14.0 ?16.0mm、d 2为 2.0 ?4.0mm、d 3为 3.4 ?5.4mm。
[0015]喷嘴气流通道2-1的拉瓦尔喷管通道段的压缩角&1为60°?90°。
[0016]阴极3前端的圆台的下底半径为6mm，上底半径为5mm。
[0017]阳极喷嘴2材料为紫铜。
[0018]本发明阴极3前端的圆台结构，有利于引弧和稳弧，也可防止尖点烧损，阴极前端部的锥角应与喷嘴的压缩角相配合。
[0019]本发明为达到等离子射流速度最大，同时射流出口的压力与环境压力相等的目的，阳极喷嘴2的入口(上游段)是收敛截面，紧接着一个喉部(径向尺寸最小)，出口(下游段)是扩张形截面，通过数值模拟计算，可得出喉部直径对喷枪结构性能影响最大，喉部直径为2.0?4.0mm,喷嘴出口直径为3.4?5.4mm (即扩张段扩张角为20° )。这个结构参数下产生的等离子体射流在喷枪内具有最高的速度，同时在喷管出口处射流压强与环境压强一致，射流为最佳膨胀状态，不存在激波。
[0020]通过优化阳极喷嘴结构，在相同的功率，环境压强为常压的情况下:
[0021]实施例1:
[0022]当阳极入口直径山为15mm，喉部直径(12为2.0mm,出口直径(13为3.4mm,阳极压缩角为80时，在喷嘴出口处马赫数Ma达到2.41，达到超音速等离子体射流的要求。
[0023]实施例2:
[0024]当阳极入口直径山为15mm，喉部直径(12为3.0mm,出口直径(13为4.4mm,阳极压缩角为60时，在喷嘴出口处马赫数Ma达到2.37，达到超音速等离子体射流的要求。
[0025]实施例3:
[0026]当阳极入口直径山为15mm，喉部直径(12为4.0mm,出口直径d3为5.4mm,阳极压缩角为90时，在喷嘴出口处马赫数Ma达到2.38，达到超音速等离子体射流的要求。
[0027]且以上三种实施方式出口压强均达到环境压强，射流为最佳膨胀状态，不存在激波。
【主权项】
1.一种超音速等离子喷枪，包括绝缘枪体(I)，与绝缘枪体(I)同轴固连的阳极喷嘴(2)和设置在绝缘枪体(I)和阳极喷嘴(2)内的阴极(3)，其特征在于:所述阴极(3)的前端为圆台，阳极喷嘴(2)的喷嘴气流通道(2-1)由与绝缘枪体(I)的枪体气流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦尔喷管通道段组成，阴极(3)的前端位于阳极喷嘴(2)的直通道段内，拉瓦尔喷管通道段的收缩段与阴极(3)前端的圆台形状相配合。2.根据权利要求1所述的超音速等离子喷枪，其特征在于:所述喷嘴气流通道(2-1)的拉瓦尔喷管通道段沿气流方向的入口直径为Cl1、喉部直径为d2、出口直径为d3，其中，山为14.0 ?16.0mm、d2为 2.0 ?4.0mm、d 3为 3.4 ?5.4mm。3.根据权利要求1所述的超音速等离子喷枪，其特征在于:所述喷嘴气流通道(2-1)的拉瓦尔喷管通道段的压缩角％为60°?90°。4.根据权利要求1所述的超音速等离子喷枪，其特征在于:所述阴极(3)前端的圆台的下底半径为6mm，上底半径为5mm。5.根据权利要求1所述的超音速等离子喷枪，其特征在于:所述阳极喷嘴(2)材料为紫铜。
【专利摘要】本发明公开了一种超音速等离子喷枪，包括绝缘枪体，与绝缘枪体同轴固连的阳极喷嘴和设置在绝缘枪体和阳极喷嘴内的阴极，所述阴极的前端为圆台，阳极喷嘴的喷嘴气流通道由与绝缘枪体的枪体气流通道尺寸配合的直通道段和拉瓦尔喷管通道段组成，阴极的前端位于阳极喷嘴的直通道段内，拉瓦尔喷管通道段的收缩段与阴极前端的圆台形状相配合。本发明的阳极喷嘴和阴极均采用特殊的结构设计，在功率小于30KW下，就能够得到超音速的等离子体射流速度(Ma>2.2)；喷枪的喷嘴和电极使用寿命长，射流稳定，成本低。
【IPC分类】H05H1/34
【公开号】CN105025648
【申请号】CN201510444688
【发明人】杜镇志, 杨海, 朱亮, 李映坤, 刘锐, 陈雄, 郑健
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年7月24日