電弧加熱設備:發展背景,發展歷程,設備分類,工作原理,組成結構,設備要求,運行方式

電弧加熱設備

電弧加熱設備是利用電弧加熱試驗氣體，產生能模擬高超聲速飛行時的熱環境的設備。電弧加熱設備是重要的防熱與熱結構試驗裝置。

電弧加熱設備主要用於模擬滯止壓力和溫度或熱流密度，評定再入飛行器的防熱材料和防熱系統的性能，是解決防熱設計的最重要的試驗工具，也可用於高溫氣體動力學的研究。現代電弧加熱器的功率已達百兆瓦量級。

基本介紹

中文名：電弧加熱設備
外文名：Arc heater

發展背景,發展歷程,設備分類,工作原理,組成結構,設備要求,運行方式,

發展背景

防熱材料是一種在戰略、戰術武器和航天飛行器上使用的專用功能材料,用以防護太空飛行器或武器在氣動熱環境中免遭燒毀破壞,並保持結構必需的氣動外形。防熱材料受熱行為極其複雜,與超常環境相互作用的認識研究也是極為困難的。採用空間飛行試驗實際測量材料各種性能參數的方法需要付出的代價是非常昂貴的,尤其是在航天套用上。為了防止因為氣動加熱損傷甚至毀壞造價昂貴的太空飛行器,必須尋求有效的地面模擬設備,對這種高溫、高壓熱環境進行重複模擬,以方便對太空飛行器的材質選用、結構設計和溫度保護系統等進行測試。

風洞是研究氣體和物體相互作用的地面模擬設備,廣泛套用於航天、航空、飛彈及武器研究中。按照壓縮和加熱氣體的物理過程不同,風洞可以分為常規風洞、電弧風洞、激波風洞、活塞風洞和熱衝風洞等等。由於它們性能的不同,用途也不同,其中可以為航天用再入式飛行器氣動環境模擬試驗提供高溫、高壓狀態的僅有採用電弧加熱的電弧電漿風洞,簡稱電弧風洞,它利用電弧的高溫來加熱氣體,可以提供太空飛行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,模擬太空飛行器再入過程中經歷的高焓飛行環境,從而大大減少太空飛行器的製造試驗周期,提高其安全可靠性,降低成本。

發展歷程

20世紀50年代,為了發展彈道飛彈技術,美國和蘇聯競相開始研製電弧加熱器,由於當時電弧理論和實驗經驗不足,只從實驗目標出發,研製了種類繁多的電弧加熱器。最先套用於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,在其基礎上,後來又出現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展初期就經歷著兩種發展模式交流電弧加熱器和直流電弧加熱器。交流電弧加熱器採用了交流供電,每半周有一次熄弧和再燃過程,電流方向變化,所以採用多電極、各相電極交替工作方式,其電源系統直接採用變壓器供電即可,由於交流電弧再燃需要,採用串聯電抗器實現降壓和移相的作用。交流電弧加熱器具有電源系統結構簡單、投資小等優點,但存在固有缺陷,熱效率低,不易實現高熱烙。儘管後期還有一些大功率研究,但其缺陷決定它只能在設備投資必須降低的工業套用和提供中焓的電弧風洞中使用。直流電弧加熱器採用直流供電,需要變流裝置實現交流到直流的變換,提供恆定方向的電壓、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,適應氣動試驗發展要求,多套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,控制複雜。所以直流電弧加熱器是國內外航天研究的重點。

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製的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律進行放大和縮小也大大限制了它的發展。

隨著高性能彈道飛彈防熱試驗需要,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。磁旋式電弧加熱器已不能完成此類試驗研究,隨著長弧理論的發展,平流型電弧加熱器開始得到了大力發展,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於長弧理論,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律進行放大和縮小設計,這些優點使電弧加熱器開始進入平流型發展時期。

設備分類

管式電弧加熱設備

管式電弧加熱器由德國人Chemische Huels在20世紀30年代首先研製出來。美國林德公司從50年代開始發展氣穩型管式電弧加熱器,管狀電弧加熱器由前電極、後電極、弧室旋氣室、磁場線圈和噴管等部分組成。它的前、後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、弧根繞管壁旋轉的電弧。圖1-4為管式電弧加熱器結構示意圖。此種電弧加熱器具有堅固耐用,操作和維修簡便的優點,但存在固有的“旁路擊穿效應”,弧根跳動頻繁,造成電弧波動大,進而導致出口氣流參數波動大,污染率高,以及運行參數重複性差等嚴重缺點,主要用於需要高氣壓、低焓狀態的模擬試驗。

圖1-4

疊片式電弧加熱設備

由於管式電弧加熱器在高氣壓下不能達到高的焓值,美國和蘇聯又發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。結構如圖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,移動範圍大的缺點,很大程度上消除了氣流參數脈動問題,但其結構複雜,容易出現片間串弧。

圖1-5

段式電弧加熱設備

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,每段厚度遠大於疊片的片厚,段間彼此絕緣並切向進氣。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上加入了分段吹氣技術而發展起來的。其中MDC-200（6.5MW）是這種形式電弧加熱器的代表。後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採用快速電子開關進行段間短路,以拉長電弧,這對電源系統的控制提出了很高要求,抗負載跳變能力必須很強。

為滿足太空梭類帶翼、有升力飛行器再入大氣熱環境試驗模擬要求,在段式電弧加熱器發展的基礎上,人們改進了疊片式加熱器的疊片結構,發展了片間吹氣技術,解決了片間串弧。由於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備。主要代表有美國阿諾德工程發展中心（AEDC）的H1和H3片式加熱器,H3設備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）研究中心的太空飛行器干擾加熱設備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）與義大利科學研究院（IMSR）合作建設,位於義大利航空宇宙研究中心（ICRA）的Scirocco等離子風洞的電弧加熱器功率為70MW,氣流焓值可以達到40MJ/Kg。

工作原理

電弧加熱設備的基本工作原理為：將可調節壓力和流量的壓縮空氣注入電弧加熱器,由電源系統將空氣擊穿電離,形成電漿電弧,把空氣加熱到高溫狀態,穩定的電氣參數和氣流參數保證所需溫度的精確性。高溫氣體經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擴散段減速升壓後,在冷卻器中進行冷卻,流入真空系統,最後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統一調控,完成系統配合試驗,模擬出太空飛行器再入大氣層或超音速飛行時的惡劣環境,為飛行器研究人員提供相關試驗數據。

組成結構

電弧加熱器試驗設備主要由電弧加熱器、供電系統、供氣系統、供水系統、控制系統、測試系統、數據採集系統、模型送進系統等組成。控制系統的任務是控制對象包括各供水、供氣、供電迴路的相關設備及廠房排氣系統等設備。根據電弧加熱設備試驗運行的特點，控制系統應滿足電弧加熱器調試和運行流程需要，並要求回響速度快、可靠性高，並且操作簡單、維護方便，能夠安全可靠地實現控制對象的實時監控、安全聯鎖保護、外部通信和事故報警等基本功能。

設備要求

（1）電弧加熱器本身結構：電弧加熱器是產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,加熱器結構上應該能夠保證儘量得到較長的電弧。

（2）電源系統：高壓大功率的電弧加熱設備需要高壓大功率的電源系統提供能量。電源系統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是對設備本身一種考驗,也是電力電子發展的一個重要方向。

穩定的電弧燃燒決定了電弧加熱器的試驗品質。其首先來源於優秀的加熱器主體結構設計,它是電弧穩定的基礎其次是系統整體協調配合,因為電弧試驗融合了空氣動力學、熱力學、電漿學、電力電子學和自動控制理論等多方面的知識,各部分協同配合是電弧穩定的保障最後是配套輔助設施的穩定控制,電弧加熱器最重要的兩項輔助設備是高壓供氣系統和電源系統,由於氣流調節速度較慢,當前試驗設計中一般高壓供氣系統均離線調節,試驗過程中氣流閥門不做調節,保持穩定即可,這樣,電弧加熱器試驗品質的重心就集中在電源系統上。電弧作為電源系統的負載,特性非常複雜,電弧在建立、拉伸、旋轉和穩定等狀況下都有不同於常規阻感負載的特徵,其次,電弧的非線性負阻特性也不利於系統控制的穩定,對電源系統的控制提出了很高的要求,穩定的電弧燃燒必需建立在電源系統的穩定控制基礎上。

運行方式

電弧加熱設備有兩種運行方式: 脈衝式和連續式。

一種是脈衝式電弧風洞，一般在試驗段後連線有真空箱。此時試驗段中的氣流馬赫數較高，但模型承受的熱流密度較低，適於模擬衛星和飛船等再入時的熱環境。法國航空空間研究院的 F4 脈衝式電弧風洞，採用 150 MW 的電弧加熱器，在密閉罐體內放電，形成高壓和高溫氣流，當試驗狀態達到試驗條件時，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，脈衝式電弧風洞工作時間小於 0.5 s。