電弧加熱風洞

電弧加熱器是電弧風洞的關鍵設備之一，它的起動狀況關系到整個風洞的起動成敗，是風洞正常運行的前提。良好的起動方式對風洞安全運行和試驗效率的提升至關重要。

電弧加熱器根據(jù)結構差異分為不同的種類以實現(xiàn)不同的試驗參數(shù)需要，常用于風洞配套的電弧加熱器有片式、管式、磁旋式等 。

目前，國內電弧風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）準備時間長，每完成一次試驗必須放掉試驗段真空，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）熔渣影響設備安全，未完全熔融的金屬絲落在電極之間，降低絕緣，導致局部放電，燒損設備；

（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系統(tǒng)，需要建立能夠模擬這些條件的地面試驗設備。等離子電弧加熱風洞(或電弧射流)是最常采用的地面實驗裝置。在這種試驗設備上可以產生飛行條件下具有代表性的加熱率和長時間的加熱實驗，用上述設備來進行隔熱材料的性能預測和有關熱防護系統(tǒng)的實驗驗證是必須的。

眾所周知，制約電弧加熱器長時間加熱運行的關鍵是因為電弧電流的數(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?shù)哪軌驖M足飛行器隔熱環(huán)境的試驗狀態(tài)參數(shù)，使得電弧電流小，介質流量大，可以延長電弧加熱器的加熱運行壽命。

電弧（加熱）風洞具有高焓、高熱流、長時間、高空層流模擬能力，是進行高超聲速飛行器熱防護與熱結構試驗考核的重要地面試驗設備之一。風洞運行時高壓氣流經(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行燒蝕試驗，試驗后的氣流進入擴壓器減速，通過冷卻器冷卻至常溫后進入真空容器。主要由電弧加熱器、噴管、試驗段、擴壓器、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 。

電弧風洞運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通過電弧放電釋放，以加熱和壓縮氣體。當弧室中壓力升高到某個預定值時，膜片被沖破，氣體經(jīng)過噴管膨脹加速，在試驗段中形成高超聲速氣流，然后通過擴壓器排入真空箱內。

電弧風洞和放電式風洞都是利用電弧放電所釋放的能量對駐室氣體進行加熱的電感應加熱風洞，是一種高焓高超聲速風洞，也有“熱沖風洞”。電弧風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洞大得多，但風洞的t作時間比較短。

與常規(guī)高超聲速風洞和激波風洞不同，電感應加熱風洞的試驗氣流是準定常流動，試驗時間為20~ 200ms；試驗過程中弧室氣體壓力和溫度取決于試驗條件和時間，與高超聲速風洞和激波風洞相比要低10%—50%。熱沖風洞如圖1所示。所以要瞬時、同步地測量試驗過程中試驗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。熱沖風洞的研制開始于20世紀50年代初，落后于激波風洞。原來是要利用火花放電得到一個高性能的激波管驅動段，后來就演變成熱沖風洞?！盁釠_”這個詞是R.W.佩里于1958年提出來的。

放電式風洞的部件組成與電弧風洞類似，電弧放電能在短時問內釋放出大量能量，因而氣流溫度可以達到很高。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6500K左右，相當于飛行器在同溫層以Ma=12飛行時的駐點溫度。放電式風洞在啟動前，先把空氣或其他氣體壓人高壓駐室內，高壓駐室與噴管之間用薄膜隔開。預儲在電容器中的大量電能，通過駐室內的電極放電。放電所釋放的巨大能量，將駐室內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，高壓高溫氣體進入噴管而膨脹，在試驗段就得到具有很高馬赫數(shù)和很高溫度的流動。風洞試驗能維持的時間在50ms左右，密度及雷諾數(shù)都能達到較高的值。