具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法与流程

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，具体涉及一种具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法。


背景技术：

2.大功率电弧加热器可以在地面长时间、较真实地模拟出高超声速飞行器热环境，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速度越来越高，高超声速飞行器与空气的摩擦增加，高超声速飞行器来流热环境的温度越来越高，需要大功率电弧加热器提供更高温度的气流，以此模拟高超声速飞行器的热环境。
4.现有的大功率电弧加热器分为管式电弧加热器和片式电弧加热器，这两种电弧加热器都是长轴状的，电弧在电弧加热器的中心轴，随着电弧加热器中心轴长度增加，电弧更长，电弧加热器的功率更大，但是，随着电弧加热器中心轴长度增加，电弧加热器的冷却面积也随之增加，导致空气的温度难以提高。也可以在不增加冷却面积的情况下，通过增加电流，提高电弧加热器的功率，进而提升电弧加热器喷管出口气流温度；然而，随着电弧加热器电流增加，电极烧蚀也迅速增加。现有的大功率电弧加热器运行电流已达到3000a~6000a，如果继续增加电流，大功率电弧加热器的电极会迅速烧蚀失效，不能满足高超声速飞行器地面试验要求。
5.因此，如何提高大功率电弧加热器喷管出口温度，满足高超声速飞行器的热环境要求是目前的面临的技术难题。当前，亟需发展一种具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有多孔内壁的大功率电弧加热器，本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种具有多孔内壁的大功率电弧加热器的试验方法，本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种用于大功率电弧加热器的多孔内壁，本发明所要解决的第四个技术问题是提供一种用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工装置，本发明所要解决的第五个技术问题是提供一种用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工方法。
7.本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器，其特点是，所述的大功率电弧加热器为前端封闭后端开口的管式结构，包括从前至后顺序连接的阴极段、多孔内壁段、阳极段和喷管段；阴极段和多孔内壁之间、多孔内壁段和阳极段之间绝缘密封连接，阳极段和喷管段之间密封连接；阴极段、阳极段和喷管段均设置有冷却结构，冷却结构外接冷却水水源；阴极段、多孔内壁段和阳极段的前后贯通的中心空腔为电弧加热器弧室；
阴极段的前端封闭端盖；阴极段的管体内壁设置有环形的阴极，阴极段的管体外壁套装环形的磁场线圈，阴极段的管体外壁还设置有与阴极连接的阴极端头；多孔内壁段设置有多孔内壁，多孔内壁段上开有与外接冷气气源连通的冷气入口；阳极段的管体内壁设置有环形的阳极，阳极段的管体外壁套装环形的磁场线圈，阳极段的管体外壁还设置有与阳极连接的阳极端头；喷管段设置有喷管。
8.进一步地，所述的磁场线圈与阴极、阳极同轴；阴极段的磁场线圈串联在阴极端头与阴极之间，阳极段的磁场线圈串联在阳极端头与阳极之间；或者磁场线圈单独供电；磁场线圈产生磁感应强度使电弧在阴极和阳极内壁高速旋转，电弧受到磁场的磁力与电弧加热器弧室气流的阻力相等。
9.本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器的试验方法，其特点是，包括以下步骤：s10.在阴极段、阳极段和喷管段的冷却结构内通入去离子冷却水；s11.在多孔内壁段的冷气入口通入冷气气流；s12.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电弧；s13.冷气气流流速控制在1m/s~30m/s，电弧加热从多孔内壁流入的冷气气流得到热气气流，热气气流从喷管喷出喷管出口气流，喷管出口气流模拟高超声速飞行器热环境。
10.本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁，其特点是，所述的多孔内壁为圆管，多孔内壁的管壁分布有若干个沿径向生长、从内至外贯通多孔内壁管壁的反射状细长孔，多孔内壁的细长孔的轴线与出口处的多孔内壁壁面切面的夹角范围为80
°
~90
°
；多孔内壁的细长孔的孔径为0.05-0.5mm、通孔率为5%-30%；多孔内壁的细长孔的孔长度根据喷管出口气流温度确定，喷管出口气流温度越高，细长孔的孔长度越长，满足以下公式：；其中，为多孔内壁的辐射系数，为斯提芬波尔赫兹常数5.67
×
10-8
w/(m2k4)，为冷气气流与多孔内壁的热交换系数，为冷气从多孔内壁外壁进入时与从多孔内壁内壁流出时的温度差；多孔内壁的壁面热辐射热流密度范围为2mw/m2~20mw/m2；多孔内壁的材质为包括铜、银在内的高热导率材质。
11.本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工装置，其特点是，所述的多孔内壁加工装置包括底面封闭的坩埚，坩埚外壁包裹保温层；坩埚的下方从上至下依次为控温层和托盘，托盘内设置有冷却水道，冷却水道外接冷却水水源；坩埚内的环形空腔中注入制作多孔内壁的金属液；所述的坩埚为石墨坩埚。
12.本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工方法，其特点是，包括以下步骤：s21.将高热导率材质在高压气体中加热熔化成金属液；
s22.将金属液注入到坩埚；s23.通过保温层控制金属液冷却成多孔内壁过程中，细长孔的径向生长速度；s24.通过控温层和冷却水道内的冷却水流量和温度，控制金属液冷却成多孔内壁过程中，多孔内壁的控制金属液冷却成多孔内壁过程中，细长孔的轴向生长速度；s25.金属液冷却后，获得多孔内壁毛坯；s26.对多孔内壁毛坯进行机械加工，获得所需的多孔内壁；s27.将多孔内壁安装到大功率电弧加热器内，并进行装配调整直至满足安装要求，多孔内壁加工完成。
13.进一步地，所述的高压气体在金属液中溶解度高，而在固体金属中溶解度低；根据多孔内壁材质选择高压气体，高压气体为高压氩气、高压氮气或者高压氢气中的一种；高压气体的压力范围为2mpa~50mpa。
14.本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法采用多孔内壁替换了传统的铜内壁；传统的铜内壁，大功率电弧加热器会因为对流传热损失大约50%的能量，使得大功率电弧加热器热效率约为50%，喷管出口气流温度较低。如果采用多孔内壁，则多孔内壁会形成气膜，阻隔多孔内壁的对流传热，使得大功率电弧加热器的热效率提升到95%以上，提升喷管出口气流温度。
15.本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法中的多孔内壁加工装置和多孔内壁加工方法，通过受控凝固的方式，获得机械加工方法无法加工的多孔内壁，多孔内壁的细长孔内壁光滑、流阻小、沿特定方向均匀分布，有益于控制注入冷气气流的流量和压力，只要从外部注入压力较低、流量很小的冷气就能在多孔内壁壁面形成一定方向的冷气气流。另外，多孔内壁采用高热导率金属，高热导率金属能够把热量及时、均匀地分散到整个多孔内壁上，由于细长孔的孔径非常小，使得冷气气流与多孔内壁的热交换面积大大增加，确保冷气气流能够将多孔内壁的热量带走，而且，通过控制细长孔的长度，可以实现冷气气流冷却热量与热辐射热量平衡，确保多孔内壁长时间安全稳定运行。制作多孔内壁的高热导率金属在高压气体中溶解成金属液，高压气体的选择原则为：在液体金属中溶解度高、在固体金属中溶解度低，如氩气、氮气和氢气等。多孔内壁能够抵御2mw/m2~20mw/m2的壁面热流密度，为提升大功率电弧加热器喷管出口气流温度起到了至关重要的作用。
16.总而言之，本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法能够提高大功率电弧加热器的热效率，提升大功率电弧加热器喷管出口气流温度，具有工程实用性，为高超声速飞行器发展提供了设备支持。
附图说明
17.图1为本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器的结构示意图；图1中，1.阴极端头；2.阴极；3.多孔内壁；4.冷气入口；5.磁场线圈；6.阳极端头；7.阳极；8.喷管；9.喷管出口气流；10.电弧加热器弧室；11.电弧；12.端盖；图2为本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工装置的结构示意图；图2中，31.保温层；32.坩埚；33.金属液；34.控温层；35.冷却水道；36.托盘；图3为本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁的显微镜照片。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例详细说明本发明。
19.实施例1：如图1所示，本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器为前端封闭后端开口的管式结构，包括从前至后顺序连接的阴极段、多孔内壁段、阳极段和喷管段；阴极段和多孔内壁之间、多孔内壁段和阳极段之间绝缘密封连接，阳极段和喷管段之间密封连接；阴极段、阳极段和喷管段均设置有冷却结构，冷却结构外接冷却水水源；阴极段、多孔内壁段和阳极段的前后贯通的中心空腔为电弧加热器弧室10；阴极段的前端封闭端盖12；阴极段的管体内壁设置有环形的阴极2，阴极段的管体外壁套装环形的磁场线圈5，阴极段的管体外壁还设置有与阴极2连接的阴极端头1；多孔内壁段设置有多孔内壁3，多孔内壁段上开有与外接冷气气源连通的冷气入口4；阳极段的管体内壁设置有环形的阳极7，阳极段的管体外壁套装环形的磁场线圈5，阳极段的管体外壁还设置有与阳极7连接的阳极端头6；喷管段设置有喷管8。
20.进一步地，所述的磁场线圈5与阴极2、阳极7同轴；阴极段的磁场线圈5串联在阴极端头1与阴极2之间，阳极段的磁场线圈5串联在阳极端头6与阳极7之间；或者磁场线圈5单独供电；磁场线圈5产生磁感应强度使电弧11在阴极2和阳极7内壁高速旋转，电弧11受到磁场的磁力与电弧加热器弧室气流的阻力相等。
21.本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器的试验方法，包括以下步骤：s10.在阴极段、阳极段和喷管段的冷却结构内通入去离子冷却水；s11.在多孔内壁段的冷气入口4通入冷气气流；s12.通过接触引弧或者高频引弧的方式，在阴极2和阳极7之间建立电弧11；s13.冷气气流流速控制在1m/s~30m/s，电弧11加热从多孔内壁3流入的冷气气流得到热气气流，热气气流从喷管8喷出喷管出口气流9，喷管出口气流9模拟高超声速飞行器热环境。
22.本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁，其特点是，所述的多孔内壁3为圆管，多孔内壁3的管壁分布有若干个沿径向生长、从内至外贯通多孔内壁3管壁的反射状细长孔，多孔内壁3的细长孔的轴线与出口处的多孔内壁3壁面切面的夹角范围为80
°
~90
°
；多孔内壁3的细长孔的孔径为0.05-0.5mm、通孔率为5%-30%；多孔内壁3的细长孔的孔长度根据喷管出口气流温度确定，喷管出口气流温度越高，细长孔的孔长度越长，满足以下公式：；其中，为多孔内壁3的辐射系数，为斯提芬波尔赫兹常数5.67
×
10-8
w/(m2k4)，为冷气气流与多孔内壁3的热交换系数，为冷气从多孔内壁3外壁进入时与从多孔内壁3内壁流出时的温度差；多孔内壁3的壁面热辐射热流密度范围为2mw/m2~20mw/m2；
多孔内壁3的材质为包括铜、银在内的高热导率材质。
23.如图2所示，本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工装置包括底面封闭的坩埚32，坩埚32外壁包裹保温层31；坩埚32的下方从上至下依次为控温层34和托盘36，托盘36内设置有冷却水道35，冷却水道35外接冷却水水源；坩埚32内的环形空腔中注入制作多孔内壁3的金属液33；所述的坩埚32为石墨坩埚。
24.本发明的用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工方法，包括以下步骤：s21.将高热导率材质在高压气体中加热熔化成金属液33；s22.将金属液33注入到坩埚32；s23.通过保温层31控制金属液33冷却成多孔内壁3过程中，细长孔的径向生长速度；s24.通过控温层34和冷却水道35内的冷却水流量和温度，控制金属液33冷却成多孔内壁3过程中，多孔内壁3的控制金属液33冷却成多孔内壁3过程中，细长孔的轴向生长速度；s25.金属液33冷却后，获得多孔内壁毛坯；s26.对多孔内壁毛坯进行机械加工，获得如图3所示的所需的多孔内壁3；s27.将多孔内壁3安装到大功率电弧加热器内，并进行装配调整直至满足安装要求，多孔内壁3加工完成。
25.进一步地，所述的高压气体在金属液33中溶解度高，而在固体金属中溶解度低；根据多孔内壁3材质选择高压气体，高压气体为高压氩气、高压氮气或者高压氢气中的一种；高压气体的压力范围为2mpa~50mpa。
26.本实施例的高压气体为高压氢气，压力范围为2mpa~8mpa，高热导率材质为纯铜。
27.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.具有多孔内壁的大功率电弧加热器，其特征在于，所述的大功率电弧加热器为前端封闭后端开口的管式结构，包括从前至后顺序连接的阴极段、多孔内壁段、阳极段和喷管段；阴极段和多孔内壁之间、多孔内壁段和阳极段之间绝缘密封连接，阳极段和喷管段之间密封连接；阴极段、阳极段和喷管段均设置有冷却结构，冷却结构外接冷却水水源；阴极段、多孔内壁段和阳极段的前后贯通的中心空腔为电弧加热器弧室（10）；阴极段的前端封闭端盖（12）；阴极段的管体内壁设置有环形的阴极（2），阴极段的管体外壁套装环形的磁场线圈（5），阴极段的管体外壁还设置有与阴极（2）连接的阴极端头（1）；多孔内壁段设置有多孔内壁（3），多孔内壁段上开有与外接冷气气源连通的冷气入口（4）；阳极段的管体内壁设置有环形的阳极（7），阳极段的管体外壁套装环形的磁场线圈（5），阳极段的管体外壁还设置有与阳极（7）连接的阳极端头（6）；喷管段设置有喷管（8）。2.根据权利要求1所述的具有多孔内壁的大功率电弧加热器，其特征在于，所述的磁场线圈（5）与阴极（2）、阳极（7）同轴；阴极段的磁场线圈（5）串联在阴极端头（1）与阴极（2）之间，阳极段的磁场线圈（5）串联在阳极端头（6）与阳极（7）之间；或者磁场线圈（5）单独供电；磁场线圈（5）产生磁感应强度使电弧（11）在阴极（2）和阳极（7）内壁高速旋转，电弧（11）受到磁场的磁力与电弧加热器弧室气流的阻力相等。3.具有多孔内壁的大功率电弧加热器的试验方法，其用于权利要求1或2所述的具有多孔内壁的大功率电弧加热器，其特征在于，包括以下步骤：s10.在阴极段、阳极段和喷管段的冷却结构内通入去离子冷却水；s11.在多孔内壁段的冷气入口（4）通入冷气气流；s12.通过接触引弧或者高频引弧的方式，在阴极（2）和阳极（7）之间建立电弧（11）；s13.冷气气流流速控制在1m/s~30m/s，电弧（11）加热从多孔内壁（3）流入的冷气气流得到热气气流，热气气流从喷管（8）喷出喷管出口气流（9），喷管出口气流（9）模拟高超声速飞行器热环境。4.用于大功率电弧加热器的多孔内壁，其用于权利要求1或2所述的具有多孔内壁的大功率电弧加热器，其特征在于，所述的多孔内壁（3）为圆管，多孔内壁（3）的管壁分布有若干个沿径向生长、从内至外贯通多孔内壁（3）管壁的反射状细长孔，多孔内壁（3）的细长孔的轴线与出口处的多孔内壁（3）壁面切面的夹角范围为80
°
~90
°
；多孔内壁（3）的细长孔的孔径为0.05-0.5mm、通孔率为5%-30%；多孔内壁（3）的细长孔的孔长度根据喷管出口气流温度确定，喷管出口气流温度越高，细长孔的孔长度越长，满足以下公式：；其中，为多孔内壁（3）的辐射系数，为斯提芬波尔赫兹常数5.67
×
10-8
w/(m2k4)，为冷气气流与多孔内壁（3）的热交换系数，为冷气从多孔内壁（3）外壁进入时与从多孔
内壁（3）内壁流出时的温度差；多孔内壁（3）的壁面热辐射热流密度范围为2mw/m2~20mw/m2；多孔内壁（3）的材质为包括铜、银在内的高热导率材质。5.用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工装置，其用于加工权利要求4所述的用于大功率电弧加热器的多孔内壁，其特征在于，所述的多孔内壁加工装置包括底面封闭的坩埚（32），坩埚（32）外壁包裹保温层（31）；坩埚（32）的下方从上至下依次为控温层（34）和托盘（36），托盘（36）内设置有冷却水道（35），冷却水道（35）外接冷却水水源；坩埚（32）内的环形空腔中注入制作多孔内壁（3）的金属液（33）；所述的坩埚（32）为石墨坩埚。6.用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工方法，其用于加工权利要求4所述的用于大功率电弧加热器的多孔内壁，其特征在于，所述的多孔内壁加工方法包括以下步骤：s21.将高热导率材质在高压气体中加热熔化成金属液（33）；s22.将金属液（33）注入到坩埚（32）；s23.通过保温层（31）控制金属液（33）冷却成多孔内壁（3）过程中，细长孔的径向生长速度；s24.通过控温层（34）和冷却水道（35）内的冷却水流量和温度，控制金属液（33）冷却成多孔内壁（3）过程中，多孔内壁（3）的控制金属液（33）冷却成多孔内壁（3）过程中，细长孔的轴向生长速度；s25.金属液（33）冷却后，获得多孔内壁毛坯；s26.对多孔内壁毛坯进行机械加工，获得所需的多孔内壁（3）；s27.将多孔内壁（3）安装到大功率电弧加热器内，并进行装配调整直至满足安装要求，多孔内壁（3）加工完成。7.根据权利要求1所述的用于大功率电弧加热器的多孔内壁加工方法，其特征在于，所述的高压气体在金属液（33）中溶解度高，而在固体金属中溶解度低；根据多孔内壁（3）材质选择高压气体，高压气体为高压氩气、高压氮气或者高压氢气中的一种；高压气体的压力范围为2mpa~50mpa。

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，公开了一种具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法。具有多孔内壁的大功率电弧加热器包括从前至后顺序连接的阴极段、多孔内壁段、阳极段和喷管段；阴极段、阳极段和喷管段均设置有冷却结构，冷却结构外接冷却水水源；阴极段、多孔内壁段和阳极段的前后贯通的中心空腔为电弧加热器弧室；多孔内壁段为特制的多孔内壁。多孔内壁的管壁分布有若干个沿径向生长、从内至外贯通多孔内壁管壁的放射状细长孔。本发明的具有多孔内壁的大功率电弧加热器及其加工和试验方法能够提高大功率电弧加热器的热效率，提升大功率电弧加热器喷管出口气流温度，为高超声速飞行器防热研究提供支撑。防热研究提供支撑。防热研究提供支撑。


技术研发人员：袁竭 刘源 朱涛 杨靖康
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：2023/10/15