大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量等离子气流的辐射光谱,并获得了等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.研究结果表明起弧开始阶段,纯氩气通入,等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主;过渡阶段,随着空气的通入出现了N_(2)和N^(+)_(2)的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;正式运行阶段,纯空气介质运行,辐射光谱以N_(2)和N^(+)_(2)连续分子谱和N、O原子谱为主.整个电弧加热器起弧过程伴随持续的电极烧蚀,等离子体辐射光谱中铜原子谱线一直存在.氩气起弧时,等离子体气流电子温度稳定在11000 K±300 K,显示出电弧加热器稳定的起弧特性.同时,电弧等离子体气流中铜原子摩尔组分浓度在(1~25)×10^(-6)之间周期性变化,显示弧根旋转过程中不规则的电极烧蚀变化.发展的发射光谱诊断方法为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,可以为真空-常压氩气起弧试验技术的发展和电极优化提供直接量化依据,为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.

电弧加热器铜污染组分效应发射光谱定量研究

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要地面试验平台,其采用电极放电加热获得高温气体的方式,会产生铜蒸汽粒子,并随同进入地面试验模拟的等离子体气流,产生电弧风洞地面试验铜污染组分效应。本研究利用发射光谱诊断技术,发展了一套电弧加热器高温流场组分在线诊断测量系统,开展对10 MW高焓叠片式电弧加热器铜电极烧蚀的在线测量,获得了铜原子浓度的实时测量结果。基于所选铜原子谱线,开展了对电弧加热器起弧过程和稳定工作过程的测量,同时分析了管式电极和环形电极下电极烧蚀的情况。研究结果表明:起弧瞬间,电极烧蚀较明显,管式电极的铜原子峰值浓度要明显高于环形电极;稳定工作后,环形电极铜原子烧蚀量迅速下降,并保持在一个较低水平(<10-6),管式电极仍然存在较高、不稳定的烧蚀,显示管式电极的烧蚀量要明显高于环形电极,且管式电极烧蚀量随着电弧加热器运行电流的增加而增加。基于该测量结果,建立了判定电极失效的直接判据,并用于保障电弧加热器运行安全。为研究电弧加热器电极烧蚀及地面试验铜污染组分效应提供了非接触式测量手段,目前,该测量系统已经作为电弧加热器的常规测试手段,提供电弧加热器高温气流的在线诊断。