電感應(yīng)加熱風(fēng)洞簡介

電弧風(fēng)洞和放電式風(fēng)洞都是利用電弧放電所釋放的能量對駐室氣體進(jìn)行加熱的電感應(yīng)加熱風(fēng)洞，是一種高焓高超聲速風(fēng)洞，也有“熱沖風(fēng)洞”。電弧風(fēng)洞是在較低的電壓下連續(xù)放電，電弧停留時間比較長，單位時間釋放的能量比較少。放電式風(fēng)洞是在更高的電壓下瞬間放電，單位時間釋放的能量要此電弧風(fēng)洞大得多，但風(fēng)洞的t作時間比較短。

與常規(guī)高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞不同，電感應(yīng)加熱風(fēng)洞的試驗(yàn)氣流是準(zhǔn)定常流動，試驗(yàn)時間為20~ 200ms；試驗(yàn)過程中弧室氣體壓力和溫度取決于試驗(yàn)條件和時間，與高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞相比要低10%—50%。熱沖風(fēng)洞如圖1所示。所以要瞬時、同步地測量試驗(yàn)過程中試驗(yàn)段的氣流參量和模型上的氣動力特性，并采用一套專門的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。熱沖風(fēng)洞的研制開始于20世紀(jì)50年代初，落后于激波風(fēng)洞。原來是要利用火花放電得到一個高性能的激波管驅(qū)動段，后來就演變成熱沖風(fēng)洞。“熱沖”這個詞是R.W.佩里于1958年提出來的。

電弧風(fēng)洞運(yùn)行前需要儲能裝置儲存電能，弧室充人一定壓力的氣體，膜片下游各部位被抽吸到近真空狀態(tài)。運(yùn)行時，儲存的電能以千分之一毫秒到幾十毫秒的時間在弧室內(nèi)通過電弧放電釋放，以加熱和壓縮氣體。當(dāng)弧室中壓力升高到某個預(yù)定值時，膜片被沖破，氣體經(jīng)過噴管膨脹加速，在試驗(yàn)段中形成高超聲速氣流，然后通過擴(kuò)壓器排入真空箱內(nèi)。

放電式風(fēng)洞的部件組成與電弧風(fēng)洞類似，電弧放電能在短時問內(nèi)釋放出大量能量，因而氣流溫度可以達(dá)到很高。例如，1個大氣壓空氣中的焊接電弧，弧心處的氣體溫度可達(dá)6500K左右，相當(dāng)于飛行器在同溫層以Ma=12飛行時的駐點(diǎn)溫度。放電式風(fēng)洞在啟動前，先把空氣或其他氣體壓人高壓駐室內(nèi)，高壓駐室與噴管之間用薄膜隔開。預(yù)儲在電容器中的大量電能，通過駐室內(nèi)的電極放電。放電所釋放的巨大能量，將駐室內(nèi)的空氣加熱到很高的溫度，同時壓力也大大提高。此時薄膜破裂，高壓高溫氣體進(jìn)入噴管而膨脹，在試驗(yàn)段就得到具有很高馬赫數(shù)和很高溫度的流動。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芫S持的時間在50ms左右，密度及雷諾數(shù)都能達(dá)到較高的值。

電感應(yīng)加熱的一個技術(shù)關(guān)鍵是將材料燒損和氣體污染減少到可接受的程度。采取的措施有：以氮?dú)獯婵諝庾鳛樵囼?yàn)氣體，減小暴露在熱氣體中的弧室絕緣面積，合理設(shè)計(jì)材料燒損生成微粒的電極和喉道擋板結(jié)構(gòu)，適當(dāng)選取引弧用的熔斷絲，限制風(fēng)洞在弧室氣體溫度低于4000K下運(yùn)行等。熱射風(fēng)洞的儲能裝置有電容和電感兩種方式。前者常用于儲存10MJ以下的能量，后者多用于儲存5MJ~100MJ的能量。還有一種方式是電網(wǎng)直接供電，其能量一般為10MJ量級，不同的電能利用方式要求有相應(yīng)的充電放電系統(tǒng)。電感應(yīng)加熱的模擬范圍一般可以達(dá)到馬赫數(shù)8~ 22，每米雷諾數(shù)(0.1~200)×106。長達(dá)上百毫秒的試驗(yàn)時間，不僅使它一次運(yùn)行能夠完成模型的全部迎角的靜態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)，而且可以進(jìn)行風(fēng)洞的動態(tài)試驗(yàn)，測量動穩(wěn)定性，以及采用空氣作試驗(yàn)氣體（溫度一般在3000K 以下）進(jìn)行高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)。

電?。訜幔╋L(fēng)洞具有高焓、高熱流、長時間、高空層流模擬能力，是進(jìn)行高超聲速飛行器熱防護(hù)與熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)考核的重要地面試驗(yàn)設(shè)備之一。風(fēng)洞運(yùn)行時高壓氣流經(jīng)電弧加熱器加熱，通過噴管膨脹加速，形成高溫射流，對安裝在噴管出口的試件進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)后的氣流進(jìn)入擴(kuò)壓器減速，通過冷卻器冷卻至常溫后進(jìn)入真空容器。主要由電弧加熱器、噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓器、冷卻器、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水、氣、電附屬系統(tǒng)等組成 。

電弧加熱器是電弧風(fēng)洞的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的起動狀況關(guān)系到整個風(fēng)洞的起動成敗，是風(fēng)洞正常運(yùn)行的前提。良好的起動方式對風(fēng)洞安全運(yùn)行和試驗(yàn)效率的提升至關(guān)重要。

電弧加熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)差異分為不同的種類以實(shí)現(xiàn)不同的試驗(yàn)參數(shù)需要，常用于風(fēng)洞配套的電弧加熱器有片式、管式、磁旋式等 。

目前，國內(nèi)電弧風(fēng)洞一般采用金屬絲大電流熔融引弧的方法起動電弧加熱器，但在使用過程中也暴露了一系列無法克服的問題。如：

（1）準(zhǔn)備時間長，每完成一次試驗(yàn)必須放掉試驗(yàn)段真空，安裝金屬絲完畢后重新抽真空；

（2）可靠性差，氣流量稍大，就會造成金屬絲虛接、吹斷；

（3）熔渣影響設(shè)備安全，未完全熔融的金屬絲落在電極之間，降低絕緣，導(dǎo)致局部放電，燒損設(shè)備；

（4）熔化后的金屬絲粉末堵塞測壓管道，影響參數(shù)測試。

為了研究能夠在再入大氣層承受過熱條件下的熱防護(hù)系統(tǒng)，需要建立能夠模擬這些條件的地面試驗(yàn)設(shè)備。等離子電弧加熱風(fēng)洞(或電弧射流)是最常采用的地面實(shí)驗(yàn)裝置。在這種試驗(yàn)設(shè)備上可以產(chǎn)生飛行條件下具有代表性的加熱率和長時間的加熱實(shí)驗(yàn)，用上述設(shè)備來進(jìn)行隔熱材料的性能預(yù)測和有關(guān)熱防護(hù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是必須的。

眾所周知，制約電弧加熱器長時間加熱運(yùn)行的關(guān)鍵是因?yàn)殡娀‰娏鞯臄?shù)值太大使得電極燒損，加之空氣中的氧元素對銅元素的氧化作用引起電極燒損加劇，因而，根據(jù)上述因素，選擇適當(dāng)?shù)哪軌驖M足飛行器隔熱環(huán)境的試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)，使得電弧電流小，介質(zhì)流量大，可以延長電弧加熱器的加熱運(yùn)行壽命。