[发明专利]一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统

说明书

一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，该测试系统包括阳极，用于装载阴极材料样品的样品安装件，对阴极材料样品进行冷却的冷却系统，和保护罩；电弧产生于阴极和阳极之间，电弧位于保护罩内；阳极和阴极分别具有与燃弧供电电源相连的端口；样品安装件带着阴极样品绕中心自转，电弧固定或沿径向平动。本发明的优点在于：将阴极样品制备成片状样品，搭建能够产生电弧并在对阴极样品进行电弧烧蚀的同时对阴极样品进行冷却，模拟高温电弧风洞的烧蚀工况；通过设置旋转驱动组件，使样品发生自转，在电弧固定时，实现电弧对阴极样品的移动烧蚀。

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，特别是一种对材料的电弧烧蚀性能进行试验的方法和测试系统。

背景技术

航空航天技术是国家科技实力的重要标志和国际影响力的有力保障，反映了一个国家的综合国力水平。高超声速飞行器是以超音速飞行的航空航天飞行器，包括高超声速导弹、高超声速飞机和星际飞行器等。高超声速飞行器由于在大气层内高速长时飞行，表面气动热效应引发严重的外形烧蚀。外形烧蚀将导致飞行器产生转捩、翻转甚至解体。因此高超声速飞行器的防热设计必须经过严格防热试验和考核，以检验飞行器防热材料和结构的可靠性、有效性和适用性。目前，针对飞行器的考核方式主要有模型试飞、数值模拟和地面风洞试验三种。由于高超声速数值计算涉及多物理场耦合，计算难度大、精度低，难以作为防热评估依据；模型试飞获得数据有限且失败的风险与成本高，因此地面风洞试验是高超声速飞行器热防护评测的核心方式。目前能够开展高超声速飞行器防热试验研究的高温风洞设备主要有燃烧风洞、电弧风洞、激波风洞、弹道靶等。对于马赫数8以上的防热考核试验，燃烧风洞的流场总温上限难以满足试验需求。激波风洞和电弧风洞可以提供高速高温空气流场，然而激波风洞试验时间只有毫秒级，无法满足高超声速飞行器的高马赫数长时间飞行试验研究的需求。相对而言，电弧风洞可以提供长时间的连续考核试验条件，因而成为高超声速飞行器头椎、翼前缘及发动机等关键部件地面防热考核的必备手段。

高温电弧风洞试验时高电压将电弧加热器内铜电极的空气击穿，形成强烈的等离子体电弧放电，剧烈地加热旋转射入的高压纯净空气，从而获得高压高焓气流，进而通过喷管膨胀加速，形成高温射流，对安装在喷管出口的试件进行烧蚀试验。

电极作为高温电弧风洞的心脏，其使用环境恶劣，需承受高温、高气压、大电流和高电压。弧根处极高的热输入（~20000 MW/m²）造成电极表面局部氧化、熔化。电极在高压气流的冲刷下壁面逐渐削薄，甚至局部烧穿而导致漏气透水失效。因此，电极的耐烧蚀性能基本决定了电弧加热器的试验能力。

目前，为了减少电极烧蚀，主要的措施包括：1、在电弧控制方面，从缩短弧根烧蚀时间和减小弧根电流的角度减少电极烧蚀。2、在电极材料方面，目前主要围绕电弧烧蚀所涉及的热物理化学过程进行基础理论探索，探讨了材料属性、材料微结构、电极表面气氛与温度等因素对电极材料烧蚀程度的影响规律。但是材料理论研究与电弧风洞电极实际服役条件存在重大差别，相关研究所得出的影响规律是否能够直接应用于电弧风洞尚待验证。

技术内容

本发明的目的在于提供一种能够用小尺寸电极材料样本复现电弧风洞电极的电弧烧蚀工况，和测试电极材料的耐烧蚀性能的测试系统。

一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，包括阳极，用于装载阴极材料样品的样品安装件，对阴极材料样品进行冷却的冷却系统，和保护罩；电弧产生于阴极和阳极之间，电弧位于保护罩内；阳极和阴极分别具有与燃弧供电电源相连的端口；阴极样品与样品安装件可拆卸式装配；样品安装件带着阴极样品绕中心自转，电弧固定或沿径向平动。

作为优选的方案，样品安装件包括基体，基体具有冷却介质腔和进液环，冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品装载于样品安装件时、阴极样品与样品装载区域对中；冷却介质腔在内、进液环在外，进液环与冷却介质腔连通且可转动的密封配合；进液环固定且与进液管相连，冷却介质腔的中心设置出液通道；测试系统具有旋转驱动组件连接，旋转驱动组件包括与基体固定的从动轮和与电机连接主动轮，从动轮与基体对中。