一种基于阴极自发分弧的电弧加热器及其试验方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。


技术实现要素：

9.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。
10.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；阴极的前端与法兰盘绝缘密封连接；法兰盘的前端面上设置有阴极端头和阳极端头，阴极端头和阳极端头均与法兰盘绝缘连接；法兰盘上还开有进气通道、冷却水进水口和冷却水出水口；阴极的后端连接喷管；阴极的中心轴线上设置阳极，阳极的前端与法兰盘绝缘密封连接；阳极分为内外两层管体，内层管体为阳极出水管，阳极出水管前端连通冷却水出水口，阳极出水管后端开口；外层管体前端连接法兰盘的后端面，外层管体后端封闭；阳极出水管和外层管体之间的环形空腔连通冷却水进水口；冷却水从冷却水进水口进入阳极，沿环形空腔流至外层管体后端后汇流，经阳极出水管中心空腔，从冷却水出水口流出；试验气流从进气通道进入阴极和阳极之间的环形空腔，从喷管流出；阴极、阳极和喷管上还设置有冷却水结构；阴极端头电连接供电线路、供电线路电连接磁场线圈、磁场线圈电连接阴极；阳极端头与阳极电连接。
11.进一步地，所述的阴极的材质为包括铜、银在内的高热导率基体材质。
12.进一步地，所述的阴极内径d与阳极外径d满足公式：（d-d）/2＞kic+h，ic为电弧电流，k为系数，k的取值范围为0.03~0.06，h为常数，h的取值范围为0.1~3；阴极的数量，为电弧加热器的总电流，为单个阴极的电流，的取值范围为3000a~9000a。
13.进一步地，所述的含低逸出功元素相材料含有低逸出功相，低逸出功相包括低逸出功元素的共晶相、包晶相或者高温第二相；低逸出功元素在阴极金属基体中的原子百分数范围为0.1%~3%；低逸出功元素通过合金熔炼的方式加入阴极金属基体中，形成整体式合金阴极，或者通过激光熔覆、喷涂等形式在阴极内壁形成涂层式合金阴极，涂层厚度范围为0.5mm~3mm。
14.进一步地，所述的低逸出功相为cab6、sro、cao、srb6、tho2、bab6、hfo2、lab6、cr2nb、y2o3、bao或la2o3中的一种或者二种以上。
15.进一步地，所述的含低逸出功元素相材料在加入阴极金属基体前进行电子发射性能提升处理，获得与阴极基体差异性的电子发射能力，处理方法包括：合金元素与阴极基底电子输运匹配处理、合金元素激活处理、合金元素老化处理、合金元素与阴极基体原子电子云交叠形成电势阱调节处理。
16.进一步地，所述的试验气流在进气通道入口处与阴极的弧根运动方向夹角为，的取值范围为5
°
~30
°
。
17.进一步地，所述的阳极外层管体的内径与阳极出水管外径差值范围为3mm~10mm。
18.进一步地，所述的磁场线圈的磁感应强度满足以下公式：
，式中，为弧根在阴极内壁旋转速度，为电弧加热器内部气体密度。
19.本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法，包括以下步骤：s10.向阴极、阳极和喷管的冷却水结构中通入冷却水，冷却水为去离子冷却水；s20.向进气通道通入10g/s~100g/s的试验气流；s30.通过外接的等离子体电源向阴极端头和阳极端头通电，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，等离子体电源的输出电流为1000a~3000a；s40.先逐渐增大等离子体电源的输出电流，随后增大进气通道的试验气流压力和流量，增大进气压力和流量的时间滞后于增大电流的时间，滞后时长1s~3s，均达到设定值后，电弧加热器进入稳定运行；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。
20.本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器的阴极内壁采用含低逸出功元素相材料。低逸出功元素的选择原则如下：a.高温时，合金元素在阴极基体中具有较高的固溶度，室温时，合金元素在阴极基体中具有较低的固溶度；b.合金元素在阴极基体中主要以析出物存在，并且析出物具有高温稳定性；c.合金元素对阴极合金的热导率影响小，为保持电极基体较高的热导率，控制合金元素的加入量。含低逸出功元素相材料对阴极基体的电子发射性能进行了提升处理，获得了与阴极基体差异性的电子发射能力；含低逸出功元素相材料加入阴极基体后，形成均匀分散的低逸出功相，低逸出功相具有更强的电子发射能力，电弧优先在这些低逸出功相发射电子。
21.本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器中的电弧电流包含电子电流、阴离子电流和阳离子电流，阳离子电流对阴极加热，是造成电极烧蚀的主要热输入。含低逸出功元素相材料具有优异的电子发射性能，使得电弧电流中的电子电流大幅增加，阴离子电流和阳离子电流大幅降低，减少了阳离子电流对阴极的加热作用，同时，含低逸出功元素相材料大量发射的电子电流具有诺廷汉冷却效应，从阴极带走了大量的热量，大大降低了电极烧蚀。
22.阴极弧斑位置是电子最低能垒发射区，弧斑集中，热流密度大。本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器，不仅能将电流分配到多个阴极上，同时在单个阴极上能够将阴极弧斑从单一弧斑自发分解成多个斑点状的弧斑，单个弧斑具有千安培级电流，多个斑点状的弧斑的电流相较于千安培级电流降低了1~2个数量级。由于弧斑分散、斑点状弧斑电流低、电极热输入降低，阴极烧蚀速率降低了2~3个数量级，相应地，阳极作为电子接收端，即使电子电流增加，由于弧斑分散，阳极的烧蚀速率也随之降低。
23.本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器采用多个阴极并联连接，随着总电流增加，在多个阴极上形成电弧，同时单个阴极上可以自发形成斑点状弧斑，单个阴极电流可以控制在3000a~9000a；因此，本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器可以在1ka~1000ka的电流下工作，阴极的数量随着总电流增加相应增加。
24.相对于片式电弧加热器的数百个密封面而言，本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器的密封面大量减少而且结构简单，可以在高压下运行。
25.本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器具有短距离的多电弧，工作电压低，各设备耐压设计难度低，同时，多个短电弧集中，整体体积小，冷却面积小，热效率大大提升，能够在大电流、高压力下运行，且电极烧蚀速率低。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。
附图说明
26.图1为本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器的结构示意图；图1中，1.阴极端头；2.法兰盘；3.供电线路；4.磁场线圈；5.阴极；6.绝缘环；7.喷管；8.阳极；9.阳极出水管；10.进气通道；11.阳极端头；12.试验气流；13.冷却水。
27.图2为实施例1获得的阴极自发性分散电弧的斑点状弧斑。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1所示，本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器包括圆筒形的阴极5，阴极5内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极5的外壁包裹磁场线圈4，磁场线圈4上排布供电线路3；阴极5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6密封连接；磁场线圈4包括若干个与环形的阴极圈一一对应的环形的磁场线圈4；阴极5的前端与法兰盘2绝缘密封连接；法兰盘2的前端面上设置有阴极端头1和阳极端头11，阴极端头1和阳极端头11均与法兰盘2绝缘连接；法兰盘2上还开有进气通道10、冷却水进水口和冷却水出水口；阴极5的后端连接喷管7；阴极5的中心轴线上设置阳极8，阳极8的前端与法兰盘2绝缘密封连接；阳极8分为内外两层管体，内层管体为阳极出水管9，阳极出水管9前端连通冷却水出水口，阳极出水管9后端开口；外层管体前端连接法兰盘2的后端面，外层管体后端封闭；阳极出水管9和外层管体之间的环形空腔连通冷却水进水口；冷却水13从冷却水进水口进入阳极，沿环形空腔流至外层管体后端后汇流，经阳极出水管9中心空腔，从冷却水出水口流出；试验气流12从进气通道10进入阴极5和阳极8之间的环形空腔，从喷管7流出；阴极5、阳极8和喷管7上还设置有冷却水结构；阴极端头1电连接供电线路3、供电线路3电连接磁场线圈4、磁场线圈4电连接阴极5；阳极端头11与阳极8电连接。
30.进一步地，所述的阴极5的材质为包括铜、银在内的高热导率基体材质。
31.进一步地，所述的阴极5内径d与阳极8外径d满足公式：d-d/2＞kic+h，ic为电弧电流，k为系数，k的取值范围为0.03~0.06，h为常数，h的取值范围为0.1~3；阴极5的数量，为电弧加热器的总电流，为单个阴极的电流，的取值范围为3000a~9000a。
32.进一步地，所述的含低逸出功元素相材料含有低逸出功相，低逸出功相包括低逸出功元素的共晶相、包晶相或者高温第二相；低逸出功元素在阴极5金属基体中的原子百分
数范围为0.1%~3%；低逸出功元素通过合金熔炼的方式加入阴极5金属基体中，形成整体式合金阴极，或者通过激光熔覆、喷涂等形式在阴极5内壁形成涂层式合金阴极，涂层厚度范围为0.5mm~3mm。
33.进一步地，所述的低逸出功相为cab6、sro、cao、srb6、tho2、bab6、hfo2、lab6、cr2nb、y2o3、bao或la2o3中的一种或者二种以上。
34.进一步地，所述的含低逸出功元素相材料在加入阴极金属基体前进行电子发射性能提升处理，获得与阴极基体差异性的电子发射能力，处理方法包括：合金元素与阴极5基底电子输运匹配处理、合金元素激活处理、合金元素老化处理、合金元素与阴极5基体原子电子云交叠形成电势阱调节处理。
35.进一步地，所述的试验气流12在进气通道10入口处与阴极5的弧根运动方向夹角为，的取值范围为5
°
~30
°
。
36.进一步地，所述的阳极8外层管体的内径与阳极出水管9外径差值范围为3mm~10mm。
37.进一步地，所述的磁场线圈4的磁感应强度满足以下公式：，式中，为弧根在阴极内壁旋转速度，为电弧加热器内部气体密度。
38.本发明的基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法，包括以下步骤：s10.向阴极5、阳极8和喷管7的冷却水结构中通入冷却水13，冷却水13为去离子冷却水；s20.向进气通道10通入10g/s~100g/s的试验气流12；s30.通过外接的等离子体电源向阴极端头1和阳极端头11通电，通过接触引弧或者高频引弧的方式在阴极5和阳极8之间建立等离子体，等离子体电源的输出电流为1000a~3000a；s40.先逐渐增大等离子体电源的输出电流，随后增大进气通道10的试验气流12压力和流量，增大进气压力和流量的时间滞后于增大电流的时间，滞后时长1s~3s，均达到设定值后，电弧加热器进入稳定运行；试验气流12经电弧加热器加热后从喷管7喷出气流，模拟高超声速飞行器的高焓、高压热环境。
39.实施例1：
40.本实施例的阴极5采用铜基体材料，使用低逸出功元素la，la以lab6的形式存在，对lab6进行提升电子发射能力处理；将处理后的lab6加入铜基体，制备出阴极5；阳极8采用无氧铜。进行放电测试，通过在线测试技术，在线观测获得了如图2所示的阴极自发性分散电弧的斑点状弧斑，从图2可知，单一弧斑转变为多个斑点状弧斑。
41.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。

技术特征：
1.一种基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的电弧加热器包括圆筒形的阴极（5），阴极（5）内壁采用含低逸出功元素相材料，阴极（5）的外壁包裹磁场线圈（4），磁场线圈（4）上排布供电线路（3）；阴极（5）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（6）密封连接；磁场线圈（4）包括若干个与环形的阴极圈一一对应的环形的磁场线圈（4）；阴极（5）的前端与法兰盘（2）绝缘密封连接；法兰盘（2）的前端面上设置有阴极端头（1）和阳极端头（11），阴极端头（1）和阳极端头（11）均与法兰盘（2）绝缘连接；法兰盘（2）上还开有进气通道（10）、冷却水进水口和冷却水出水口；阴极（5）的后端连接喷管（7）；阴极（5）的中心轴线上设置阳极（8），阳极（8）的前端与法兰盘（2）绝缘密封连接；阳极（8）分为内外两层管体，内层管体为阳极出水管（9），阳极出水管（9）前端连通冷却水出水口，阳极出水管（9）后端开口；外层管体前端连接法兰盘（2）的后端面，外层管体后端封闭；阳极出水管（9）和外层管体之间的环形空腔连通冷却水进水口；冷却水（13）从冷却水进水口进入阳极，沿环形空腔流至外层管体后端后汇流，经阳极出水管（9）中心空腔，从冷却水出水口流出；试验气流（12）从进气通道（10）进入阴极（5）和阳极（8）之间的环形空腔，从喷管（7）流出；阴极（5）、阳极（8）和喷管（7）上还设置有冷却水结构；阴极端头（1）电连接供电线路（3）、供电线路（3）电连接磁场线圈（4）、磁场线圈（4）电连接阴极（5）；阳极端头（11）与阳极（8）电连接。2.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的阴极（5）的材质为包括铜、银在内的高热导率基体材质。3.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的阴极（5）内径d与阳极（8）外径d满足公式：（d-d）/2＞ki
c
+h，i
c
为电弧电流，k为系数，k的取值范围为0.03~0.06，h为常数，h的取值范围为0.1~3；阴极（5）的数量，为电弧加热器的总电流，为单个阴极的电流，的取值范围为3000a~9000a。4.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的含低逸出功元素相材料含有低逸出功相，低逸出功相包括低逸出功元素的共晶相、包晶相或者高温第二相；低逸出功元素在阴极（5）金属基体中的原子百分数范围为0.1%~3%；低逸出功元素通过合金熔炼的方式加入阴极（5）金属基体中，形成整体式合金阴极，或者通过激光熔覆、喷涂等形式在阴极（5）内壁形成涂层式合金阴极，涂层厚度范围为0.5mm~3mm。5.根据权利要求4所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的低逸出功相为cab6、sro、cao、srb6、tho2、bab6、hfo2、lab6、cr2nb、y2o3、bao或la2o3中的一种或者二种以上。6.根据权利要求4所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的含低逸出功元素相材料在加入阴极金属基体前进行电子发射性能提升处理，获得与阴极基体差异性的电子发射能力，处理方法包括：合金元素与阴极（5）基底电子输运匹配处理、合金元素激活处理、合金元素老化处理、合金元素与阴极（5）基体原子电子云交叠形成电势阱调节处理。7.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的试验气
流（12）在进气通道（10）入口处与阴极（5）的弧根运动方向夹角为，的取值范围为5
°
~30
°
。8.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的阳极（8）外层管体的内径与阳极出水管（9）外径差值范围为3mm~10mm。9.根据权利要求1所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，所述的磁场线圈（4）的磁感应强度满足以下公式：，式中，为弧根在阴极内壁旋转速度，为电弧加热器内部气体密度。10.一种基于阴极自发分弧的电弧加热器的试验方法，其用于权利要求1~9中任意一种所述的基于阴极自发分弧的电弧加热器，其特征在于，包括以下步骤：s10.向阴极（5）、阳极（8）和喷管（7）的冷却水结构中通入冷却水（13），冷却水（13）为去离子冷却水；s20.向进气通道（10）通入10g/s~100g/s的试验气流（12）；s30.通过外接的等离子体电源向阴极端头（1）和阳极端头（11）通电，通过接触引弧或者高频引弧的方式在阴极（5）和阳极（8）之间建立等离子体，等离子体电源的输出电流为1000a~3000a；s40.先逐渐增大等离子体电源的输出电流，随后增大进气通道（10）的试验气流（12）压力和流量，增大进气压力和流量的时间滞后于增大电流的时间，滞后时长1s~3s，均达到设定值后，电弧加热器进入稳定运行；试验气流（12）经电弧加热器加热后从喷管（7）喷出气流，模拟高超声速飞行器的高焓、高压热环境。

技术总结
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。高压热环境模拟的需求。高压热环境模拟的需求。


技术研发人员：袁竭 朱涛 隆永胜
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/21