国外电弧加热喷气火箭发动机理论与实验研究

简要总结了国外电弧加热喷气火箭发动机研究发展的历史，介绍了实验研究系统的主要设备、发动机结构、零部件测量参数等，给出了实验研究的一些主要结果和结论，归纳了理论分析和数值分析的主要研究内容，并将电弧加热喷气火箭发动机气动热力学过程同化学火箭进行了比较。     

1kW级肼电弧加热发动机工程样机研究

为了满足静止轨道卫星及中低轨道卫星降低重量、延长寿命的需要,北京控制工程研究所近年来开展了电弧加热发动机的研究工作,目前正在进行1kW级肼电弧加热发动机工程样机的研制。介绍了1kW级肼电弧加热发动机工程样机研制工作的进展情况。该项研制工作的目标是：完成电弧加热发动机的设计、加工和500h寿命试验。预期发动机功耗为1kW左右,比冲为4.5～5.5N.s/g,推力为75～150mN。目前已经完成了第一轮的发动机设计、加工和性能测试工作。出于安全性的考虑,目前的测试暂时是用N2和NH3的混合气体模拟肼进行的,测试获得了发动机的比冲、推力、效率等数据。在模拟肼的流量为18～30mg时,发动机的推力为100～150mN,比冲在5N.s/g左右,满足设计指标要求。预期采用单组元肼作为推进剂后,比冲将有所提高。     

低功率电弧加热推力器喷管温度与性能

电弧加热推力器利用直流电弧放电加热推进剂,并将加热后的推进剂通过拉瓦尔喷管高速喷出产生推力。电弧加热推力器的性能与其喷管内部复杂的传热与流动以及能量转换过程密切相关。分别以纯氩、氮、氢气以及氢/氮混合气为电弧加热推力器的推进剂,在推进剂供给流量4～270mg/s,弧电流4～12A,环境压力低于20Pa的条件下,实时检测了自然辐射冷却及推进剂再生冷却喷管的电弧加热推力器在运行过程中的喷管外表面温度、弧电压、产生的推力等参数及其变化,综合分析了喷管温度变化对推力器性能的影响。     

小功率电弧加热发动机试验参数测试和精度分析

建立了一套适用于小功率电弧加热发动机地面试验的计算机数据采集测试系统,叙述了发动机地面试验过程中各测量参数的测量原理、系统的软、硬件组成以及相关技术参数.对计算机数据采集测试系统各工作通道的测试精度进行了精度分析,给出典型的试验测试结果.分析结果表明,该套数据采集测试系统能准确测得小功率电弧加热发动机工作参数,解决了小功率电弧加热发动机地面试验参数测量过程中微小流量、微小推力测量的技术难题,反映出发动机地面试验状态,为深化展开发动机各项研究提供重要保障.      

材料长时间加热试验及隔热性能预测分析

针对高超声速再人飞行器长时间的气动加热,在电弧加热风洞上进行了热防护系统材料性能的长时间加热模拟试验.实现了电弧加热器加热运行时间长达1000s.本研究对三种多相隔热材料进行了隔热性能探索性试验研究,并进行了数值模拟计算,结果表明:材料的隔热性能与材料的使用环境及内部结构密切相关;相应地增加材料的密度和固体材料的比率有利于降低隔热材料的等效导热系数,并延长材料达到热平衡的时间.     

基于热磁耦合分析的高性能磁屏蔽系统设计

近零磁工作环境是实现无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置的必要条件,但在实际中由于装置内部气室加热和环境温度变化引起的磁屏蔽性能变化是影响系统性能的一个主要因素.基于热-磁耦合理论建立了惯性测量装置的有限元分析模型,对加热条件下磁屏蔽筒内磁场均匀性及其剩余磁场进行了分析.结果表明,气室加热至200℃时,附近温...     

激光电弧复合焊接技术

介绍了一种激光电弧复合焊接技术 ,阐述了此技术的原理、设备、优势及其应用前景     

电弧加热发动机地面试验(Ⅱ)发动机电特性分析

1引言电弧加热发动机(Arcjet)的工作是依靠电弧加热气体推进剂经喷管加速后向外喷射而产生推力,发动机的性能(比冲、推进效率、寿命等)一方面与发动机的结构有关,另一方面和电弧的发电特性及电源的工作特性有关[1,2]。只有保证电源工作的伏安特性与电弧工作的伏安特性相匹配,才     

Φ1m电弧风洞大尺度防隔热组件烧蚀热结构试验

针对大面积区域高焓、低热流、长时间气动加热环境,对1 m电弧风洞地面模拟试验系统进行了建设与完善,并引入了石英灯辐射辅助加热技术,对400 mm ×400 mm大尺度模型进行了试验,结果表明这种联合加热方式能够有效用于大尺度模型防、隔热及烧蚀热结构性能考核试验研究.     

涂层材料长时间气动加热实验研究

分两个方面介绍了涂层材料低热流长时间气动加热试验情况.先对涂层材料进行试验筛选,再将性能较好的涂层材料制作成大尺度球锥模型,考核其整体热结构性能及粘接工艺.该试验研究利用了湍流导管试验技术,并将传统的用于高热流、短时间运行的亚声速电弧包罩试验技术拓展到低热流、长时间加热领域,成功进行了小尺度平板模型和大尺度球锥模型的长时间气动加热试验,试验时间达600 s,试验过程中流场参数稳定.试验结果表明,筛选出的涂层材料整体热结构性能及粘接工艺较好.     

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。     

电弧加热器驻点烧蚀/侵蚀试验技术

介绍了在电弧加热器试验设备上进行复合材料烧蚀/侵蚀试验技术,通过改进电弧加热试验设备和粒子播发系统,将石墨粒子均匀注入到高压混合室中,与高温空气混合后经过超声速粒子加速喷管形成烧蚀/侵蚀试验流场,对驻点模型进行试验,同时建立了相应流场参数的测试、计算方法。并对C/C和含钨C/C防热复合材料的抗粒子侵蚀性能进行了初步研究。结果显示有粒子流场的均匀性和重复性较好,能满足材料的烧蚀/侵蚀考核试验要求,且含钨C/C材料的抗粒子侵蚀性能高于C/C材料。     

基于TDLAS的电弧风洞流场Cu组分监测

电弧风洞是进行防热材料和防热结构考核与研究的必要设备，也是高超声速地面试验能力的重要组成部分，但电弧加热器的电极烧蚀会导致较为严重的流场污染，影响试验准确性。利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），通过对20 MW级片式电弧加热器内部流场中Cu原子809.25 nm跃迁谱线进行实时测量，研究了电弧风洞流场中Cu污染情况和电极烧蚀情况。在获得Cu原子该谱线低能态数密度基础上，估算了运行功率分别在7.3、8.7、10.0和11.7 MW时流场中Cu组分（原子态和离子态）总数密度平均为10.6×10¹³、11.2×10¹³、11.7×10¹³和16.4×10¹³ cm^-3，同时得到平均电极烧蚀率约为1.65×10^-5 g/C。试验还发现，TDLAS信号在高温流场建立阶段起伏变化明显，并且在功率跃变时也会出现突然增强而后迅速回落的现象，表明电弧抖动会使电极烧蚀严重加剧。     

直流电弧加热器多电极运行技术试验研究

多电极运行是提高直流电弧加热器大电流运行可靠性的有效途径。通过对双阴极/单阳极和双阴极/双阳极电弧加热器多电极运行调试,探寻了镇定电阻匹配方式、气体流量和电流等参数对多电极中各电极电弧电流分配特性的影响。结果表明,镇定电阻匹配方式是影响多电极稳定运行的关键因素,气体流量和电流等运行参数对电弧电流分配影响较小;对于双阴极/单阳极电弧加热器,只有在内外阴极同时连接镇定电阻,并且满足一定电阻差时,才能将电弧电流稳定分配到各个子电极上;对于双阴极/双阳极电弧加热器运行时,不论内外阳极是否连接镇定电阻,只要内外阴极连接镇定电阻,电弧电流均可稳定分配到各个子电极,并且电流分配比例可根据镇定电阻的匹配方式进行调节;多电极运行时,宜选用电流分配均匀,电能损耗小的电阻匹配方式。     

冲压发动机试车台空气燃烧加热器流量参数计算

给出了空气燃烧加热器热力计算方程,计算得到了燃烧加热所需燃料流量以及补氧量随模拟飞行马赫数变化曲线,分析了加热器压力对加热所需燃料流量以及补氧量的影响。计算分析结果可为冲压发动机试车台空气燃烧加热器设计提供参考。     

电弧风洞真空氩气起弧技术研究

为解决传统金属丝熔融法起动电弧风洞准备时间长、可靠性差、熔渣影响设备安全和参数测试等问题,研究分析了电弧风洞采用真空氩气起弧技术起动的可行性。通过试验对比分析了起弧间距、进气方式以及控制时序等参数对电弧风洞起动特性的影响,利用一级触发、逐级拉弧的方式实现数米长电弧加热器的安全起动。结果表明,真空氩气起弧技术可以稳定、可靠、快速起动电弧风洞;起弧间距为25mm时,起动时间短,平均电流低,设备烧损小,起动最可靠;采用阴极尾部通氩气的进气方式,起动稳定、操作方便、维护简单;该起弧技术具有最佳的控制时序,确保了起动稳定可靠。     

辐射加热设备的开发及运用

介绍了中国航天空气动力技术研究院辐射加热设备的开发及运用情况.设备包括0-150 kW的石英灯加热器,试验舱,真空系统以及控制系统.在辐射加热设备上对低密度隔热材料在不同低压下的隔热性能进行了研究,所用模型横截面积为100 mmx100 mm,最长运行时间2000 s,低密度隔热材料的表面温度高达1000 K,试验舱最低压力为10 Pa.     

电弧加热流场湍流度对尖锥边界层转捩影响的研究

电弧加热流场的热环境特性直接影响热防护系统的地面试验数据,由于电弧加热器高温气流和参数波动的原因,直接测量湍流度非常困难。为研究电弧加热流场湍流度对于边界层转捩的影响,采用红外热图热像仪,在电弧加热流场中进行了5°尖锥模型边界层转捩研究。结合数值计算,将试验结果与常规风洞的尖锥边界层转捩结果进行了比较。结果表明：马赫数影响的雷诺数转捩判别准则可以用于计算电弧加热流场的转捩雷诺数;电弧加热流场的尖锥边界层转捩雷诺数显著小于常规风洞的转捩雷诺数,表明在该试验条件下,电弧加热流场的湍流度显著大于常规风洞。     

高空台间接加热试验

用同一种发动机在不同模拟状态下，采用技改措施及加热器的火焰筒不同个数进行了试验，获得了模拟温度、气源压力与时间的关系。设备的总压系数为0．67；加热系统的总效率为0．41－0．55。与另一高空台使用同一间接加热系统的总效率（约为0．62）相比有所不同。分析了原因，并指出了解决问题的途径。上述试验方法及试验结果可供类拟发动机试验参考使用。     

电弧加热器试验条件下端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了仿真计算，考察了碳-碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律。重点研究了电弧射流的非均匀性对烧蚀外形的影响以及表面粗糙度对边界层转捩和气动加热的影响。