[发明专利]一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法

说明书

本发明属于高超声速飞行器气动防热地面试验设备技术领域，公开了一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法。电弧加热器包括圆筒形的阴极，阴极内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极的外壁包裹磁场线圈，磁场线圈上排布供电线路；阴极的中心轴线上设置阳极，阴极的后端连接喷管。试验方法通过外接的等离子体电源向电弧加热器通电，通过接触引弧或者高频引弧的方式在阴极和阳极之间建立等离子体，再向电弧加热器通入试验气流，试验气流经电弧加热器加热后从喷管喷出气流，模拟高超声速飞行器的高焓、高压热环境。本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法能够满足高超声速飞行器高焓、高压热环境模拟的需求。

技术领域

本发明属于高超声速飞行器气动防热地面试验设备技术领域，具体涉及一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法。

背景技术

大功率电弧加热器是目前唯一能够在地面长时间、较真实地模拟出高超声速飞行器热环境的设备，是高超声速飞行器防热研究的核心设备。大功率电弧加热器是在两个电极之间形成电弧加热空气，加热后的高温空气从喷管喷出形成高温高速空气，高温高速空气形成高超声速飞行器的热环境。

随着高超声速飞行器的飞行马赫数越来越高、飞行空域越来越宽，需要模拟高超声速飞行器的高焓、高压的热环境，要求大功率电弧加热器的电极能够在更大电流（3000~6000A）和更高压力（15MPa~20MPa）下放电，加热空气以模拟出更高温度和更高压力的热环境，这对电极（特别是阴极）的耐烧蚀性能提出了更高要求。而目前使用的无氧铜电极已不能满足这样的耐烧蚀性能要求，电极烧蚀已成为制约高超声速飞行器防热研究的瓶颈问题。

为了减少电极烧蚀，目前，研究和发展了各种电弧控制技术，包括磁场旋转弧根技术、多电极技术、多加热器技术等，形成了现有的、比较成熟的两类电弧加热器：管式电弧加热器和片式电弧加热器。管式电弧加热器和片式电弧加热器虽然能够在一定程度上减少电极烧蚀，但是还有各自的局限性。

管式电弧加热器的电弧长度由气流的强度主导，管式电弧加热器特点是气流量大、电弧长度短，所以，管式电弧加热只能模拟出高超声速飞行器的低焓、高压热环境。

片式电弧加热器的电弧长度固定，可以在小气流下获得较长的电弧长度，模拟出高超声速飞行器的高焓热环境。但是，由于片式电弧加热器使用数百个叠片组合而成，其密封面多、热防护难度大；另外，片式电弧加热器采用多电极技术增加运行电流，当片式电弧加热器在高气压工作时，会出现密封失效，各电极之间因为压力增加造成电弧弧阻差值增大，各电极电弧之间容易相互干扰，造成电流分配不均匀，有时出现电弧分离，有时出现电弧合并形成串弧，导致片式电弧加热器的稳定性下降。因此，片式电弧加热只能模拟出高超声速飞行器的高焓、低压热环境。

简而言之，随着高超声速飞行器向更高马赫数、更宽空域飞行的方向发展，需要电弧加热器模拟高超声速飞行器的高焓、高压热环境，进而需要电极在更大电流、更高压力下工作；然而，电极在大电流、高压下工作烧蚀非常严重。受制于现有无氧铜电极的烧蚀特性，目前的大功率电弧加热器难以满足高超声速飞行器的高焓、高压热环境模拟要求。解决电极烧蚀难题，发展一种能够在大电流、高压力下工作的大功率电弧加热器是高超声速飞行器热防护研究的核心工作。

当前，亟需发展一种能够模拟出高超声速飞行器的高焓、高压热环境的基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种基于阴极自发分弧的电弧加热器，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法。

本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特点是，所述的电弧加热器包括圆筒形的阴极，阴极内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极的外壁包裹磁场线圈，磁场线圈上排布供电线路；阴极包括若干个并联的环形的阴极圈，各阴极圈之间通过绝缘环密封连接；磁场线圈包括若干个与环形的阴极圈一一对应的环形的磁场线圈；