一种超高焓电弧加热器阴极的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电弧加热器领域，特别涉及一种应用于气动热地面模拟实验中的超高焓电弧加热器阴极。
【背景技术】
[0002]航天飞行器在再入大气层的过程中，由于其表面受到严重的气动加热及辐射加热，这就需要飞行器装载防热系统。而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，电弧风洞作为高超音速风洞的一种，利用电弧加热器产生的高焓值气体配合压缩气体模拟高超音速飞行时的高温高压环境。
[0003]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。但是，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。其中的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，以考核防热材料的防热性能。例如，飞船返回舱以第二宇宙速度再入大气层，其表面将经受严重的气动加热及辐射加热，周围环境焓值将达到56MJ/kg，此前的加热器均不能提供如此高的焓值。开发研制超高焓电弧加热器是很有必要的，而电弧加热器阴极是其中研究的一个重点和难点。因此，现有技术中至少存在如下问题，现有技术中的电弧加热器均不能用于模拟超高焓值环境。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种超高焓电弧加热器阴极，用于解决现有技术中的电弧加热器均不能用于模拟超高焓值的环境问题，该超高焓电弧加热器阴极提高了气流的焓值。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0006]—种超高焓电弧加热器阴极，包括:
[0007]阴极端头，其与电源负极电连接；
[0008]腔体，其呈锥形，所述腔体内径值大的一端与所述阴极端头固定连接，进入所述腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在所述内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，所述腔体由多个相互绝缘且固定连接的压缩片构成，以用来防止电流沿所述腔体表面通过。
[0009]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头包括内壳和外壳，在所述内壳和外壳之间设置一供冷水通过的管道，以用来冷却所述阴极端头。
[0010]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述每个压缩片均包括内壳和外壳，在所述每个压缩片的内壳和外壳之间均设置一供冷水通过的管道，以用来冷却所述压缩片。
[0011]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述腔体还包括多个绝缘片，所述多个压缩片和所述多个绝缘片以间隔交替的方式排列且相互之间固定连接形成所述腔体。
[0012]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，在靠近所述阴极端头的压缩片上设置有引弧气体入口和工作气体入口。
[0013]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述引弧气体入口设置在所述工作气体入口的上游，所述腔体内径大的一端为上游。
[0014]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述腔体的内径逐渐变小形成的内径线与所述腔体的中轴线的夹角范围设置为5度?25度。
[0015]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头面向所述腔体的一面上设置有球冠型突起或者球冠型凹陷。
[0016]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头上设置的球冠型突起或者球冠型凹陷的外径值小于所述腔体的最小内径值。
[0017]优选的是，所述的超高焓电弧加热器阴极，所述阴极端头中含有2%的钨钍合金材料。
[0018]本发明至少包括以下有益效果:由于腔体呈锥形，所述腔体内径值大的一端与所述阴极端头固定连接，进入所述腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在所述内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，以高温高速的方式流出所述腔体，具有压缩作用的腔体结构，迫使电弧在阴极区产生压缩加速，提高了工作气体与电弧的热交换效率，从而提高了气流的焓值。所述腔体由多个相互绝缘且固定连接的压缩片构成，以用来防止电流沿所述腔体表面通过，减少了能量的损失，有利于提高气流焓值。引弧气体入口和工作气体入口都设置在阴极端头附近，减少了能量损失。所述腔体的圆锥形结构以及所述阴极端头面向所述腔体的一面上设置有球冠型突起或者球冠型凹陷，保证了加热器容易引弧，且不发生尖端放电，同时也减少了能量损失。在所述阴极端头和多个压缩片中都设置有供冷水流通的管道，用来冷却阴极端头和压缩片，保证了大电流能够长时间的稳定运行。
【附图说明】
[0019]图1为本发明所述的超高焓电弧加热器阴极的结构示意图；
[0020]图2为本发明所述的超高焓电弧加热器阴极的阴极端头的结构示意图；
[0021]图3为本发明所述的超高焓电弧加热器阴极的压缩片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
[0024]如图1所示，本发明实施例提供的超高焓电弧加热器阴极，包括:
[0025]阴极端头I，其与电源负极电连接;腔体2，其呈锥形，腔体内径值大的一端与阴极端头固定连接，进入腔体中的工作气体在电弧的作用下被电离形成高温等离子体流，等离子体流在内径逐渐变小的腔体中被压缩使其加速，腔体2由多个相互绝缘且固定连接的压缩片3构成，以用来防止电流沿腔体2表面通过。
[0026]需要说明的是，阴极端头和腔体之间的固定连接以及多个压缩片之间的固定连接均为密封固定，具体方法可以选择螺栓连接或者焊接等，在此并不做具体的限定。
[0027]具有压缩作用的腔体结构，迫使电弧在阴极区产生压缩加速，提高了