发射光谱诊断电弧加热器漏水故障的试验研究

电弧加热器是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。电弧加热器在运行时,由于其电极工作在高温环境,普遍采用高压水进行冷却,试验中存在着由于电极烧穿漏水导致加热器严重烧损的风险。由于高温气流的恶劣环境,目前尚无有效监测手段。本文作者建立一套以氢原子Hα（656.28nm）和氧原子（777.19nm）发射谱线作为目标谱线的发射光谱监测系统,通过分析电弧加热器故障条件和正常运行下高温流场中的发射光谱特性,诊断某高焓电弧加热器因烧蚀出现的电极漏水故障,并在考虑温度误差的前提下对该光谱测量系统测量灵敏度进行评估,获得了A、B两种试验状态下的漏水探测极限:A状态下约为1.85～0.94g/s;B状态下,2.12～0.98g/s。试验结果表明,发射光谱应用于电弧加热器漏水故障诊断是切实可行的。     

高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法

在燃烧室的内流热环境下,燃烧室壁面的部分防热材料(如 C/SiC 或超高温陶瓷)与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外,水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应,破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境,并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4%~5%的常温水与高温气体混合,模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度,采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度,研究含水的高温气体的总温(总焓)计算方法。     

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。     

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。     

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。     

电弧加热器超声速湍流平板烧蚀流场变化研究

电弧加热器超声速湍流平板烧蚀试验技术是研究防热材料烧蚀特性的重要手段。为研究超声速湍流平板烧蚀过程中流场变化情况,采用数值求解二维N-S方程的方法进行试验流场模拟。从模拟结果看,未烧蚀模型外形流场模拟得到的模型表面参数结果与试验结果吻合很好。然后对烧蚀过程中的模型外形进行了流场模拟,并与试验流场进行对比,根据模拟结果分析了试验过程中模型表面压力和热流密度分布的变化。根据分析可知,如果平板模型烧蚀量最大的位置在初始高热流区内,可以采用该烧蚀量计算烧蚀速率。     

磁扩散电弧运动图像实验研究

电弧等离子体与气体之间的相互作用机理研究一直在低温等离子领域受到关注。为了获得比较均匀的大面积直流电弧等离子流，设计了一种利用外磁场驱动电弧旋转的等离子发生器。利用高速摄影技术研究了大气压条件下氩电弧等离子体在弧室中的运动情况，得到了典型的螺旋型电弧照片，分析了外部磁场对电弧运动形状、电弧电压的影响和弧根附近的气流扰动情况，认为磁场分布的不均匀性是导致电弧形状多样性和不稳定性的主要原因，而阴极烧蚀引起了弧根区气流扰动的不对称性。     

电弧加热器湍流平板试验流场计算分析

近年来新发展的变迎角方法增加了电弧加热器湍流平板试验的可控参数,大幅提升了试验模拟能力,但同时也增加了状态调试的复杂性。本文基于FLUENT软件,采用CFD方法分析了不同试验工况下的流场特性。通过与典型试验状态的测试数据比较,验证了计算方法的有效性,定量地给出不同弧室压力和模型迎角条件下校测平板表面主要气动热参数分布,结合流场激波反射、干扰和附面层分离等现象,总结分析了试验控制参数的影响规律,并根据研究结果提出了试验的基本原则。     

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。     

通气量对超空泡生成与维持影响实验研究

为获得通气超空泡生成和维持的通气流量设计依据,在西北工业大学高速水洞进行了带圆盘空化器航行体多种工况下通气流量对超空泡生成和维持影响的实验研究.实验结果表明:生成给定通气超空泡形态的临界通气流量与维持相应空泡形态的临界通气流量相差很大,但二者随自然空化数的变化规律相同;在保证生成稳定超空泡前提下,空泡生成相对速度和相对时间随通气流量的增大出现相反的变化趋势,且空泡生成速度与航行体速度相差较大.实验显示空泡生成速度是航行体速度的0.015~0.28倍.该研究结论将为进一步研究自由航行超空泡航行体的通气流量设计提供参考.     

一种大型、大功率辐射内加热器的设计

热强度试验技术是为解决飞行器的热障问题而发展的,热设计已经成为飞行器设计的重要方面,而地面模拟试验则是验证设计的重要手段,通常地面实验以模拟气体动力学加热为主,对于管道、喷管等结构的内加热模拟较少.此类结构的能量传递方向由内向外,采用内加热更加合理、可行.在国内热强度试验领域,接触的实例并不多,大型、大功率的内加热器则更少,我们针对某结构件静热联合试验,就一种大型、大功率辐射内加热器的设计技术进行了初步研究,设计生产了内加热器并成功应用到了具体试验中.