一種可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著時(shí)代的發(fā)展，太空制約能力對(duì)一個(gè)國(guó)家的安全起著越來(lái)越重要的作用。化學(xué)火箭攜帶的化學(xué)燃料重量占運(yùn)載器總重量的90 %以上，有效載荷僅占I %左右，而受推進(jìn)劑化學(xué)能的限制，其比沖很難提高。因此化學(xué)推進(jìn)劑適用于短時(shí)間、大推力的推進(jìn)任務(wù)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，電火箭推進(jìn)技術(shù)能夠獲得較高的運(yùn)載效率，適用于長(zhǎng)時(shí)間、中小推力、高比沖的推進(jìn)任務(wù)。目前，對(duì)于各種用途的衛(wèi)星，為減少重量和尺寸、提高定位精度、延長(zhǎng)運(yùn)行壽命，使用空間電推進(jìn)技術(shù)已成為一種有效的途徑。無(wú)論是近期的空間技術(shù)應(yīng)用，還是未來(lái)對(duì)深空的科學(xué)研宄，都需要發(fā)展高效率的空間電推進(jìn)技術(shù)。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的姿控/軌控化學(xué)火箭相比，電推進(jìn)方式具有高比沖的突出優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，功率為千瓦量級(jí)的電弧加熱推力器在國(guó)外已成為應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制的成熟技術(shù)，然而在國(guó)內(nèi)，電弧加熱推力器的研宄雖然已有十幾年的歷史，積累了一些實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的工作經(jīng)驗(yàn)，但仍然存在性能不穩(wěn)定、持續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間不長(zhǎng)、效率不高等問(wèn)題，至今還沒(méi)有成功應(yīng)用在自己的衛(wèi)星上。
[0003]電弧加熱推力器通常由陰極、兼做噴管的陽(yáng)極、以及固定陰極陽(yáng)極的卡件、絕緣件等組成，其基本工作原理是:供給推力器的氣態(tài)推進(jìn)劑經(jīng)過(guò)陰極和兼做噴管的陽(yáng)極間放電所產(chǎn)生的直流電弧加熱，形成最高溫度超過(guò)萬(wàn)度的高溫部分電離氣體，進(jìn)而在噴管的擴(kuò)張段膨脹、降溫、加速，以超聲速射流的形式從噴管?chē)姵?，產(chǎn)生較高的推力和比沖。然而，由于推進(jìn)劑在推力器噴管擴(kuò)張段停留的時(shí)間很短(微妙量級(jí))，推進(jìn)劑與推力器之間以及推進(jìn)劑內(nèi)部復(fù)雜的能量交換過(guò)程難以完全充分進(jìn)行，造成發(fā)動(dòng)機(jī)多達(dá)60 %以上的輸入能量不能轉(zhuǎn)化成產(chǎn)生推力、比沖的有效能量，使得電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)仍然偏低。
[0004]除了作為推進(jìn)裝置，電弧加熱推力器產(chǎn)生的高溫高速氣流也可提供模擬空天科學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得在地面可模擬飛行器的氣動(dòng)受力及傳熱過(guò)程。然而由于常規(guī)的電弧加熱推力器產(chǎn)生的高溫高速氣流的速度等參數(shù)沿徑向的變化梯度極大，流場(chǎng)不均勻，由噴管出口中心處的超高速流動(dòng)急劇變化到噴管壁面附近的亞聲速流動(dòng)，這也限制了電弧加熱推力器在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置。
[0006]本發(fā)明的可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置包括:陰極、陽(yáng)極噴管、絕緣件和金屬套；陰極通過(guò)陰極卡件與絕緣件固定，金屬套一端與絕緣件相連，另一端與陽(yáng)極噴管卡接；金屬套上設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口，陽(yáng)極噴管包含喉道及供推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)換的擴(kuò)張段；所述陽(yáng)極噴管擴(kuò)張段靠近喉道的位置設(shè)有將靠近陽(yáng)極噴管壁附近的低速冷氣體在噴出噴管前抽出的抽氣通道，抽氣通道與排氣口連接；所述進(jìn)氣口與排氣口外設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)，與排氣口連接的質(zhì)量流量計(jì)還連接有排氣真空泵。
[0007]優(yōu)選地，所述電弧加熱裝置連接有電流、電壓測(cè)試傳感器，其電流、電壓測(cè)試傳感器為霍爾效應(yīng)原理的傳感器。
[0008]優(yōu)選地，所述電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的工作電源為30千瓦級(jí)逆變等離子體電源。
[0009]優(yōu)選地，所述真空室直徑為2米，長(zhǎng)4米，其極限真空為I X 1-4Pa0
[0010]優(yōu)選地，工作氣體通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入進(jìn)氣口，所述工作氣體為氮?dú)?，存?chǔ)于高壓氣罐中。
[0011]優(yōu)選地，所述質(zhì)量流量計(jì)精度為滿量程的3%。
[0012]本發(fā)明通過(guò)在電弧加熱裝置陽(yáng)極噴管擴(kuò)張段添加抽氣通道，將靠近陽(yáng)極噴管壁附近的低速冷氣體在噴出噴管前從抽氣通道抽出，使得噴出發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的氣體多為超高速氣體。
[0013]電弧加熱裝置運(yùn)行過(guò)程中，排氣口端的質(zhì)量流量計(jì)及排氣真空泵同樣運(yùn)行，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)，使得從排氣端抽走的推進(jìn)劑都為冷態(tài)低速的推進(jìn)劑，從電弧加熱裝置噴口噴出的都為超高速的推進(jìn)劑。從排氣端抽走的推進(jìn)劑可重新供入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，使得推進(jìn)劑得到二次利用，節(jié)約運(yùn)行成本。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為電弧加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為電弧加熱裝置工作系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1、2所示，本發(fā)明包括:陰極1、兼做噴管的陽(yáng)極7、絕緣件3和金屬套5，陰極I通過(guò)陰極卡件2固定在絕緣件3上，金屬套5 —端與絕緣件3相連，另一端與陽(yáng)極噴管7卡接，金屬套5上設(shè)有一個(gè)進(jìn)氣口 4和一個(gè)排氣口 6。
[0017]進(jìn)氣口 4和排氣口 6外均設(shè)有質(zhì)量流量計(jì)14、16，其質(zhì)量流量計(jì)14、16選用精度為滿量程3%的質(zhì)量流量計(jì)，與排氣口 6連接的質(zhì)量流量計(jì)16還連接有一個(gè)排氣真空泵15。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，排氣口 6端的質(zhì)量流量計(jì)16及排氣真空泵15同樣運(yùn)行，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)16使得從排氣端抽走的推進(jìn)劑都為冷態(tài)低速的推進(jìn)劑，從發(fā)動(dòng)機(jī)噴口噴出的都為高速的推進(jìn)劑，從而使得電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)獲得相對(duì)較高的比沖。
[0018]噴管7包括喉道9及供推進(jìn)劑轉(zhuǎn)化能量的擴(kuò)張段8 ;所述陽(yáng)極噴管7擴(kuò)張段8靠近喉道9的位置設(shè)有將靠近陽(yáng)極噴管7壁附近的低速冷氣體在噴出噴管7前抽出的抽氣通道，抽氣通道與排氣口 6連接。
[0019]從排氣口 6端抽走的推進(jìn)劑可以重新供入電弧加熱裝置的進(jìn)氣口 4，使得推進(jìn)劑得到二次利用，節(jié)約運(yùn)行成本提高運(yùn)行效率。
[0020]本發(fā)明通過(guò)在電弧加熱裝置陽(yáng)極噴管7擴(kuò)張段8添加抽氣通道，將靠近陽(yáng)極噴管7的擴(kuò)張段8壁面附近的低速冷氣體在噴出噴管7前從抽氣通道抽出，這樣使得噴出電弧加熱裝置噴管7的氣體多為超高速氣體。而且還可以將抽走的低冷速推進(jìn)劑重新由進(jìn)氣口 4進(jìn)入電弧加熱裝置，從而具有節(jié)約運(yùn)行成本提高運(yùn)行效率的優(yōu)點(diǎn)。
[0021 ] 如圖2所示，電弧加熱裝置設(shè)置在真空室18內(nèi)，真空室18直徑為2米，長(zhǎng)4米，其極限真空為IX 10_4Pa。真空室18外與電弧加熱裝置連接設(shè)置有電流電壓測(cè)試傳感器11和工作電源12，其中電流電壓測(cè)試傳感器11選用霍爾效應(yīng)原理的傳感器，工作電源12選用30千瓦級(jí)逆變等離子體電源。
[0022]工作氣體13由質(zhì)量流量計(jì)14進(jìn)入進(jìn)氣口 4，其中工作氣體13存儲(chǔ)于高壓氣罐，并選用氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w。
[0023]通過(guò)推力測(cè)力器17檢測(cè)電弧加熱裝置羽流10所產(chǎn)生的推力，電弧加熱裝置羽流10產(chǎn)生的氣體通過(guò)真空室排氣系統(tǒng)19排出真空室18。
[0024]在電弧加熱裝置輸入功率3.5kW、總工作氣流量10L/min的條件下，電弧加熱裝置產(chǎn)生的比沖為270s。該電弧加熱裝置噴出的高溫高速羽流10形成的流場(chǎng)也可用于提供模擬空天科學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
[0025]雖然上面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但是這些實(shí)施方式是作為例子而提示的，而不試圖去限制發(fā)明的范圍。這些新的實(shí)施方式能夠以其他各種方式來(lái)實(shí)施，在不脫離發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行各種省略、置換和變更。這些實(shí)施方式或其變形包含于發(fā)明的范圍和主旨中，并且包含于專(zhuān)利請(qǐng)求的范圍所記載的發(fā)明和與其均等的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置，其特征在于，包括:陰極、陽(yáng)極噴管、絕緣件和金屬套；陰極通過(guò)陰極卡件與絕緣件固定，金屬套一端與絕緣件相連，另一端與陽(yáng)極噴管卡接；金屬套上設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口，陽(yáng)極噴管包含喉道及供推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)換的擴(kuò)張段；所述陽(yáng)極噴管擴(kuò)張段靠近喉道的位置設(shè)有將靠近陽(yáng)極噴管壁附近的低速冷氣體在噴出噴管前抽出的抽氣通道，抽氣通道與排氣口連接；所述進(jìn)氣口與排氣口外設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)，與排氣口連接的質(zhì)量流量計(jì)還連接有排氣真空泵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置，其特征在于:所述電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置有電流電壓測(cè)試傳感器，其電流電壓測(cè)試傳感器為霍爾效應(yīng)原理的傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置，其特征在于:所述電弧加熱裝置的工作電源可為30千瓦級(jí)逆變等離子體電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置，其特征在于:所述真空室直徑為2米，長(zhǎng)4米，其極限真空為I X 1-4Pa0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置，其特征在于:工作氣體通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入進(jìn)氣口，所述工作氣體為氮?dú)?，存?chǔ)于高壓氣罐中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置，其特征在于:所述質(zhì)量流量計(jì)精度為滿量程的3%。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置，包括：陰極、陽(yáng)極噴管、絕緣件和金屬套；陰極通過(guò)陰極卡件與絕緣件固定，金屬套一端與絕緣件相連，另一端與陽(yáng)極噴管卡接；金屬套上設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口，陽(yáng)極噴管包含喉道及供推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)換的擴(kuò)張段；所述陽(yáng)極噴管擴(kuò)張段靠近喉道的位置設(shè)有將靠近陽(yáng)極噴管壁附近的低速冷氣體在噴出噴管前抽出的抽氣通道，抽氣通道與排氣口連接；所述進(jìn)氣口與排氣口外設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)，與排氣口連接的質(zhì)量流量計(jì)還連接有排氣真空泵。本發(fā)明的電弧加熱裝置可產(chǎn)生超高速氣流。
【IPC分類(lèi)】F03H99-00, H05B7-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104632567
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410730352
【發(fā)明人】潘文霞, 吳承康, 孟顯
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所
【公開(kāi)日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月4日