電弧加熱設(shè)備

電弧加熱設(shè)備的基本工作原理為：將可調(diào)節(jié)壓力和流量的壓縮空氣注入電弧加熱器,由電源系統(tǒng)將空氣擊穿電離,形成等離子體電弧,把空氣加熱到高溫狀態(tài),穩(wěn)定的電氣參數(shù)和氣流參數(shù)保證所需溫度的精確性。高溫氣體經(jīng)過錐形噴管加速到所需速度,形成高焓、高速氣流,在試驗段中對模型進行氣動加熱。從試驗段流出的等離子氣流經(jīng)擴散段減速升壓后,在冷卻器中進行冷卻,流入真空系統(tǒng),最后回收至氣罐中下次試驗使用。高壓氣、冷卻水和電源等通過中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)控,完成系統(tǒng)配合試驗,模擬出航天器再入大氣層或超音速飛行時的惡劣環(huán)境,為飛行器研究人員提供相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。

防熱材料是一種在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器和航天飛行器上使用的專用功能材料,用以防護航天器或武器在氣動熱環(huán)境中免遭燒毀破壞,并保持結(jié)構(gòu)必需的氣動外形。防熱材料受熱行為極其復(fù)雜,與超常環(huán)境相互作用的認識研究也是極為困難的。采用空間飛行試驗實際測量材料各種性能參數(shù)的方法需要付出的代價是非常昂貴的,尤其是在航天應(yīng)用上。為了防止因為氣動加熱損傷甚至毀壞造價昂貴的航天器,必須尋求有效的地面模擬設(shè)備,對這種高溫、高壓熱環(huán)境進行重復(fù)模擬,以方便對航天器的材質(zhì)選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫度保護系統(tǒng)等進行測試。

風(fēng)洞是研究氣體和物體相互作用的地面模擬設(shè)備,廣泛應(yīng)用于航天、航空、導(dǎo)彈及武器研究中。按照壓縮和加熱氣體的物理過程不同,風(fēng)洞可以分為常規(guī)風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、活塞風(fēng)洞和熱沖風(fēng)洞等等。由于它們性能的不同,用途也不同,其中可以為航天用再入式飛行器氣動環(huán)境模擬試驗提供高溫、高壓狀態(tài)的僅有采用電弧加熱的電弧等離子體風(fēng)洞,簡稱電弧風(fēng)洞,它利用電弧的高溫來加熱氣體,可以提供航天器用防熱材料的篩選試驗、燒蝕試驗和燒蝕外形變化試驗等,模擬航天器再入過程中經(jīng)歷的高焓飛行環(huán)境,從而大大減少航天器的制造試驗周期,提高其安全可靠性,降低成本。

電弧加熱設(shè)備管式電弧加熱設(shè)備

管式電弧加熱器由德國人Chemische Huels在20世紀30年代首先研制出來。美國林德公司從50年代開始發(fā)展氣穩(wěn)型管式電弧加熱器,管狀電弧加熱器由前電極、后電極、弧室旋氣室、磁場線圈和噴管等部分組成。它的前、后電極被做成中間空心形狀,就像一根空心管子,因而得名。用一個弧室將兩個管式電極隔開,通過弧室引入高壓旋轉(zhuǎn)氣流,把電弧壓縮在管子中心,電弧向管子兩端拉開形成拉長的、弧根繞管壁旋轉(zhuǎn)的電弧。圖1-4為管式電弧加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。此種電弧加熱器具有堅固耐用,操作和維修簡便的優(yōu)點,但存在固有的“旁路擊穿效應(yīng)”,弧根跳動頻繁,造成電弧波動大,進而導(dǎo)致出口氣流參數(shù)波動大,污染率高,以及運行參數(shù)重復(fù)性差等嚴重缺點,主要用于需要高氣壓、低焓狀態(tài)的模擬試驗。

電弧加熱設(shè)備疊片式電弧加熱設(shè)備

由于管式電弧加熱器在高氣壓下不能達到高的焓值,美國和蘇聯(lián)又發(fā)展了疊片式電弧加熱器。疊片式電弧加熱器的弧室與前電極之間有許多空心水冷薄片和片間絕緣片,電弧在固定長度的兩電極之間拉開,形成固定長度的電弧。結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。此類加熱器克服了管式電弧加熱器的弧根不固定,移動范圍大的缺點,很大程度上消除了氣流參數(shù)脈動問題,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,容易出現(xiàn)片間串弧。

電弧加熱設(shè)備段式電弧加熱設(shè)備

為了克服管式和疊片式電弧加熱器的固有缺點,1971年麥克唐納一道格拉斯研究室（MDC）首先提出了段式電弧加熱器,即將管式電弧加熱器的前電極分成幾段,每段厚度遠大于疊片的片厚,段間彼此絕緣并切向進氣。這種加熱器是在管式電弧加熱器和疊片式電弧加熱器基礎(chǔ)上加入了分段吹氣技術(shù)而發(fā)展起來的。其中MDC-200（6.5MW）是這種形式電弧加熱器的代表。后來美國空軍飛行動力試驗室（AFFDL）又建成了這種形式的KBC-100（50MW）電弧加熱器。這種電弧加熱器性能較好,效率高,可以在達到高氣壓（10MPa）的同時達到中焓（約13MJ/Kg）,克服了管式電弧加熱器恰值不高的問題。段式電弧加熱器需要采用快速電子開關(guān)進行段間短路,以拉長電弧,這對電源系統(tǒng)的控制提出了很高要求,抗負載跳變能力必須很強。

為滿足航天飛機類帶翼、有升力飛行器再入大氣熱環(huán)境試驗?zāi)M要求,在段式電弧加熱器發(fā)展的基礎(chǔ)上,人們改進了疊片式加熱器的疊片結(jié)構(gòu),發(fā)展了片間吹氣技術(shù),解決了片間串弧。由于電弧可以被拉得很長,其功率和焓值大大提高,片式加熱器成為目前性能最好的一種再入模擬設(shè)備。主要代表有美國阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）的H1和H3片式加熱器,H3設(shè)備1995年投入運行,其功率為68MW,壓力達12MPa。美國國家航空與宇宙航行局（NASA）艾姆斯（Ames）研究中心的航天器干擾加熱設(shè)備1999年升級完畢,目前功率達到60MW,最高氣流焓值達到45MJ/Kg。1995年由歐洲宇航局（ESA）與意大利科學(xué)研究院（IMSR）合作建設(shè),位于意大利航空宇宙研究中心（ICRA）的Scirocco等離子風(fēng)洞的電弧加熱器功率為70MW,氣流焓值可以達到40MJ/Kg。

電弧加熱設(shè)備有兩種運行方式: 脈沖式和連續(xù)式。

一種是脈沖式電弧風(fēng)洞，一般在試驗段后連接有真空箱。此時試驗段中的氣流馬赫數(shù)較高，但模型承受的熱流密度較低，適于模擬衛(wèi)星和飛船等再入時的熱環(huán)境。法國航空空間研究院的 F4 脈沖式電弧風(fēng)洞，采用 150 MW 的電弧加熱器，在密閉罐體內(nèi)放電，形成高壓和高溫氣流，當(dāng)試驗狀態(tài)達到試驗條件時，氣罐和試驗噴管之間的隔離裝置打開，氣流在試驗段進行模型試驗，脈沖式電弧風(fēng)洞工作時間小于 0.5 s。

另一種是連續(xù)式電弧加熱設(shè)備，電弧加熱器中的氣流直接流過處于大氣中的模型。此時氣流的馬赫數(shù)較低，模型承受較高的熱流密度，適于模擬高彈道系數(shù)再入飛行器彈道式再入時的燒蝕環(huán)境。該設(shè)備不但可以進行高超聲速飛行器機身熱防護系統(tǒng)多個部位的試驗研究，還可以進行發(fā)動機唇口、燃燒室內(nèi)流道材料及熱結(jié)構(gòu)的試驗考核、燃料裂解冷卻以及發(fā)動機燃燒室性能試驗研究，尤其在 Ma = 4 ～ 12 范圍的試驗研究上具有很大的潛力。

（1）電弧加熱器本身結(jié)構(gòu)：電弧加熱器是產(chǎn)生試驗所需求高焓的主要場所,首先其自身要能夠耐受電弧燒蝕；其次,提高電流或電壓是大功率化的唯一手段,但電流燒蝕電極,對加熱器危害較大,而電壓同弧長成正比,如何通過增加弧長從而提高電壓,是大功率較好的策略,所以,加熱器結(jié)構(gòu)上應(yīng)該能夠保證盡量得到較長的電弧。

（2）電源系統(tǒng)：高壓大功率的電弧加熱設(shè)備需要高壓大功率的電源系統(tǒng)提供能量。電源系統(tǒng)必須可以安全提供加熱器所需電壓、電流,高壓大功率的同時實現(xiàn)是對設(shè)備本身一種考驗,也是電力電子發(fā)展的一個重要方向。

穩(wěn)定的電弧燃燒決定了電弧加熱器的試驗品質(zhì)。其首先來源于優(yōu)秀的加熱器主體結(jié)構(gòu)設(shè)計,它是電弧穩(wěn)定的基礎(chǔ)其次是系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)配合,因為電弧試驗融合了空氣動力學(xué)、熱力學(xué)、等離子體學(xué)、電力電子學(xué)和自動控制理論等多方面的知識,各部分協(xié)同配合是電弧穩(wěn)定的保障最后是配套輔助設(shè)施的穩(wěn)定控制,電弧加熱器最重要的兩項輔助設(shè)備是高壓供氣系統(tǒng)和電源系統(tǒng),由于氣流調(diào)節(jié)速度較慢,當(dāng)前試驗設(shè)計中一般高壓供氣系統(tǒng)均離線調(diào)節(jié),試驗過程中氣流閥門不做調(diào)節(jié),保持穩(wěn)定即可,這樣,電弧加熱器試驗品質(zhì)的重心就集中在電源系統(tǒng)上。電弧作為電源系統(tǒng)的負載,特性非常復(fù)雜,電弧在建立、拉伸、旋轉(zhuǎn)和穩(wěn)定等狀況下都有不同于常規(guī)阻感負載的特征,其次,電弧的非線性負阻特性也不利于系統(tǒng)控制的穩(wěn)定,對電源系統(tǒng)的控制提出了很高的要求,穩(wěn)定的電弧燃燒必需建立在電源系統(tǒng)的穩(wěn)定控制基礎(chǔ)上。

20世紀50年代,為了發(fā)展彈道導(dǎo)彈技術(shù),美國和蘇聯(lián)競相開始研制電弧加熱器,由于當(dāng)時電弧理論和實驗經(jīng)驗不足,只從實驗?zāi)繕顺霭l(fā),研制了種類繁多的電弧加熱器。最先應(yīng)用于防熱材料燒蝕試驗的加熱器是短弧低電壓型,其中代表性加熱器為同軸磁旋式電弧加熱器,在其基礎(chǔ)上,后來又出現(xiàn)了管式電弧加熱器和片式電弧加熱器。

從供電特性上來講,電弧加熱器裝置的從發(fā)展初期就經(jīng)歷著兩種發(fā)展模式交流電弧加熱器和直流電弧加熱器。交流電弧加熱器采用了交流供電,每半周有一次熄弧和再燃過程,電流方向變化,所以采用多電極、各相電極交替工作方式,其電源系統(tǒng)直接采用變壓器供電即可,由于交流電弧再燃需要,采用串聯(lián)電抗器實現(xiàn)降壓和移相的作用。交流電弧加熱器具有電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資小等優(yōu)點,但存在固有缺陷,熱效率低,不易實現(xiàn)高熱烙。盡管后期還有一些大功率研究,但其缺陷決定它只能在設(shè)備投資必須降低的工業(yè)應(yīng)用和提供中焓的電弧風(fēng)洞中使用。直流電弧加熱器采用直流供電,需要變流裝置實現(xiàn)交流到直流的變換,提供恒定方向的電壓、電流,它可以做到氣流與電弧的長時間接觸,出口氣流焓值較高,適應(yīng)氣動試驗發(fā)展要求,多應(yīng)用在小型電弧裝置及高性能大功率試驗裝置中,但缺點是需增加變流裝置,投資大,控制復(fù)雜。所以直流電弧加熱器是國內(nèi)外航天研究的重點。

電弧加熱器的類型從電弧和氣體流動的方向上可以分為垂直流型和平流型。垂直流型的電弧和氣流方向垂直,同軸磁旋式電弧加熱器即屬此類,1960年美國阿爾科公司研制的150kw試驗性磁旋式電弧加熱器就是其中的代表。為了提高電弧的功率,又出現(xiàn)了多頭磁旋電弧加熱器,是20世紀60年代到年代進行再入飛行器防熱試驗的主要設(shè)備。垂直流型加熱器的弧柱短,無法提高電弧電壓,主要通過增大電流提高功率,因此電極的壽命和因電極燒損造成的試驗氣流污染問題無法克服。另外,氣流接觸電弧時間較短,得到的燴值較低,因此這種加熱器主要提供低壓中焓或中壓低燴的試驗環(huán)境,如目前俄羅斯的TT-1和TT-2等。垂直流型電弧加熱器無法形成一定規(guī)律進行放大和縮小也大大限制了它的發(fā)展。

隨著高性能彈道導(dǎo)彈防熱試驗需要,對加熱器的功率和氣體壓力的要求不斷增加,尤其是頭部外形變化試驗研究,要求電弧加熱器提供高壓、中低焓運行狀態(tài)。磁旋式電弧加熱器已不能完成此類試驗研究,隨著長弧理論的發(fā)展,平流型電弧加熱器開始得到了大力發(fā)展,因其電弧和氣流方向平行得名。平流型電弧加熱器包括管式電弧加熱器、片式電弧加熱器、段式電弧加熱器和片、段混合電弧加熱器等。平流型電弧加熱器基于長弧理論,運行的電弧電壓高,可用較小的電流達到大功率,氣流和電弧接觸密切,焓值較高,而且這種電弧加熱器可以按照一定規(guī)律進行放大和縮小設(shè)計,這些優(yōu)點使電弧加熱器開始進入平流型發(fā)展時期。

電弧加熱器試驗設(shè)備主要由電弧加熱器、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模型送進系統(tǒng)等組成?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是控制對象包括各供水、供氣、供電回路的相關(guān)設(shè)備及廠房排氣系統(tǒng)等設(shè)備。根據(jù)電弧加熱設(shè)備試驗運行的特點，控制系統(tǒng)應(yīng)滿足電弧加熱器調(diào)試和運行流程需要，并要求響應(yīng)速度快、可靠性高，并且操作簡單、維護方便，能夠安全可靠地實現(xiàn)控制對象的實時監(jiān)控、安全聯(lián)鎖保護、外部通信和事故報警等基本功能。

電弧通?？煞譃殚L弧和短弧兩類。長弧中弧柱起重要作用。短弧長度在幾毫米以下，陰極區(qū)和陽極區(qū)起主要作用。

根據(jù)電弧所處的介質(zhì)不同又分為氣中電弧和真空電弧兩種。液體(油或水)中的電弧實際在氣泡中放電，也屬于氣中電弧。真空電弧實際是在稀薄的電極材料蒸氣中放電。這二種電弧的特性有較大差別。

（1）按電 流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。

（2）按電弧的狀態(tài)可分為：自由電弧和壓縮電?。ㄈ绲入x子?。?。

（3）按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。

電弧作為一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體。等離子體是與固體、液體、氣體并列的物質(zhì)第四態(tài)。電弧通?？梢苑譃槿齻€區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)。通常陰極區(qū)有10~20V的電位降，同時受觸頭材料的影響。陽極區(qū)的電位降與陰極差不多，只是長度稍長。弧柱的電位較陰極小得多。