基于原子发射光谱的中低焓电弧加热器 漏水故障诊断

电弧加热器试验中存在电极局部烧穿漏水导致电弧加热器严重烧损的风险,对漏水故障的快速诊断可大大提升电弧加热器的运行安全性。由于电弧加热器内高温气流的恶劣环境,漏水故障诊断技术匮乏。针对总焓范围2~12 MJ/kg的中低焓电弧加热器,提出一种基于原子发射光谱的漏水故障诊断技术。通过分析中低焓电弧加热器漏水故障条件和正常运行下高温流场的发射光谱特性,选择氧原子777.19 nm发射谱线为目标谱线,采用相对强度的处理方法,实时监测该中低焓电弧加热器是否发生漏水故障。试验获得了总焓H₀分别为11.6和9.8 MJ/kg共2组工况下氧原子相对辐射强度的变化规律,结合电极烧蚀图像分析,证明该技术应用于中低焓电弧加热器漏水故障诊断具有较强的发展潜力。最后,提出该技术在单轨道-多焓值状态气动热试验条件下,每个状态均保证较高灵敏度的解决方案。     

电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O（777.19nm）谱线,基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气（＞5000K）试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H₀=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K,对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在（1.1~1.2）×1018cm-3之间,低能级5S₂0粒子数密度在（1.0~1.6）×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。     

应用于高气压运行的片式电弧加热器初步研究

片式电弧加热器模拟焓值范围宽,是开展热防护试验的理想设备。为拓宽其压力模拟范围,开展了片式电弧加热器内流分析方法研究,并与片式电弧加热器高气压试验进行了对比,结果吻合较好。为解决高气压运行试验出现的问题,研制了耐压、耐高热流压缩片,增强了压缩片的冷却效果,短化了片式电弧加热器电极,采取内壁防护措施使表面高温氧化产物减少和热量损失降低。探索高气压片式电弧加热器运行模式,解决了高气压运行串弧问题。试验的运行压力超过10 MPa,单电极运行电弧电流超过5000 A,提高了片式电弧加热器的试验能力。     

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。     

电弧风洞中基于TDLAS的气体温度和氧原子浓度测试

电弧风洞是对防热材料/结构进行地面考核的关键设备,其流场参数是评估设备性能和品质的关键数据。由于高温气流的恶劣环境,尚无有效诊断手段。本文使用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS),针对气流中氧原子,选用氧原子特征吸收谱线(λ=777.2nm),测量了电弧风洞中水冷平头圆柱体模型脱体激波后的气体温度和氧原子数密度,试验测量与工程计算结果较为一致。试验显示出TDLAS具有高温电弧风洞应用的潜在优势。     

壁稳电弧等离子体温度和辐射标准设备的研制

研制了氩壁稳电弧等离子体装置,其最大功率25kW,电流0～140A,4小时内电流的稳定性0.005%,纹波系数0.1%。在可靠的状态诊断实验基础上测试了主要性能。当压力为0.1～0.5MPa、电流不小于20A 时,电弧轴心区等离子体是LTE(局部热力学平衡)的。60A 电流下4小时内 ArI430.0nm 谱线辐射的稳定性±1.0%,1个月内的再现性±1.8%,温度可调范围10000～16000K,不确定度0.4%。同时测定了某些特定谱线斯塔克宽度与电子密度的实验关系。结果表明,性能完全达到了建立10000～15000K温度和近紫外高强度及真空紫外辐射标准的要求。     

基于混合传热模态的瞬态热流测试方法研究

瞬态热流是电弧加热器试验高温流场需要校测的重要参数。针对高热流、强冲刷试验测试环境,根据能量守恒原则,给出了一种基于热容吸热和一维半无限体传热的混合传热模态的瞬态热流测试方法,分析了有效测试时间范围。在此基础上,设计了一种新型结构的瞬态热流传感器。结合标定试验,对研制的瞬态热流传感器进行动态响应特性检测和准度校准,并应用于电弧加热器试验环境中。结果表明:该瞬态热流传感器具有良好的动态响应性能和抗冲刷能力,可以满足电弧加热器试验环境高热流测试需求。     

电弧加热器变参数运行技术研究

电弧加热器通过调节空气流量和电弧电流实现变参数运行,可以更接近实际地模拟飞行器再人轨道。笔者论述了电弧加热器变参数运行的技术原理、试验设备改造、测试探针研制及原理性试验等。研究结果表明：供电、供气、控制等系统经过适当改造,电弧加热器可以实现变参数运行。     

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.     

燃油冷却面板传热特性试验与计算分析研究

采用热电偶测温、气壁红外测温及燃油样品裂解度测量等多种手段,在DJ-21电弧加热器上进行了燃油冷却面板传热特性试验.进行了共计19次燃油冷却面板传热特性试验,试验高状态对应平均热流为1.6MW/m2,低状态对应平均热流为1.1MW/m2;用于冷却的燃油质量流率为1.84~5.8g/s.为了反映冷却面板热流密度分布,以喷管三维流动计算结果作为输入条件,将计算得到的热流密度与试验测量的冷壁热流密度比较,用以确定流场计算方案、流场切取方案和热流密度计算方案.发展了冷却面板稳态准三维热分析程序,将等效热流对应的冷壁对流换热系数和燃气总温作为高温燃气侧的边界条件.使用热分析程序完成了相应的计算.通过试验与计算数据对比研究,表明热分析计算的可信性.试验验证了冷却面板的设计与加上是可行的.     

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。     

低密度烧蚀材料在中高热流环境应用的试验研究和理论预测

低密度烧蚀材料是为解决飞船再入过程中高焓、低热流长时间飞行热环境的防热问题开发的防热材料。随着新工程项目的开展,低密度烧蚀材料被要求应用于中高热流的新环境下。在电弧风洞上开展了低密度烧蚀材料在气流恢复焓为18MJ/kg,冷壁热流为720kW/m2的高焓、中高热流条件下的防热性能考核试验。试验中改进了传统的水冷框方式,水冷框与试验件之间增加了高性能隔热材料,避免了侧向热泄漏,提高了试验结果的准确性。试验结果表明低密度烧蚀材料能够满足中高热流的加热环境。同时开展了低密度烧蚀材料的防热性能计算研究。低密度烧蚀材料的烧蚀机理复杂,根据低密度烧蚀过程的本体热传导-热解-炭化机制,不同区域和阶段分别采用对应的预测方法,改进了炭化烧蚀的计算方法。将理论预测结果同风洞试验结果进行了对比研究,结果表明理论预测同风洞试验结果一致性良好。     

热发射测速技术

本文叙述了一种通过探测高温两相流中热粒子的热辐射来测量粒子速度的热发射测速技术,该技术曾多次用于测量电弧加热器射流和火箭弹尾喷火焰中的粒子速度,取得了比较满意的结果。