[發(fā)明專利]一種可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410730352.2
• 申請日: 2014-12-04
• 公開（公告）號(hào): CN104632567A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘文霞;吳承康;孟顯
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): F03H99/00
• 分類號(hào): F03H99/00;H05B7/00
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

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)

隨著時(shí)代的發(fā)展，太空制約能力對一個(gè)國家的安全起著越來越重要的作用。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1％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)。相對來說，電火箭推進(jìn)技術(shù)能夠獲得較高的運(yùn)載效率，適用于長時(shí)間、中小推力、高比沖的推進(jìn)任務(wù)。目前，對于各種用途的衛(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。無論是近期的空間技術(shù)應(yīng)用，還是未來對深空的科學(xué)研究，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)，然而在國內(nèi)，電弧加熱推力器的研究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、效率不高等問題，至今還沒有成功應(yīng)用在自己的衛(wèi)星上。

電弧加熱推力器通常由陰極、兼做噴管的陽極、以及固定陰極陽極的卡件、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)過陰極和兼做噴管的陽極間放電所產(chǎn)生的直流電弧加熱，形成最高溫度超過萬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噴出，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。

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

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可產(chǎn)生超高速氣流的電弧加熱裝置。

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、陽極噴管、絕緣件和金屬套；陰極通過陰極卡件與絕緣件固定，金屬套一端與絕緣件相連，另一端與陽極噴管卡接；金屬套上設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口，陽極噴管包含喉道及供推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)換的擴(kuò)張段；所述陽極噴管擴(kuò)張段靠近喉道的位置設(shè)有將靠近陽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。

優(yōu)選地，所述電弧加熱裝置連接有電流、電壓測試傳感器，其電流、電壓測試傳感器為霍爾效應(yīng)原理的傳感器。

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。

優(yōu)選地，所述真空室直徑為2米，長4米，其極限真空為1×10^-4Pa。

優(yōu)選地，工作氣體通過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入進(jìn)氣口，所述工作氣體為氮?dú)猓鎯?chǔ)于高壓氣罐中。

優(yōu)選地，所述質(zhì)量流量計(jì)精度為滿量程的3％。

本發(fā)明通過在電弧加熱裝置陽極噴管擴(kuò)張段添加抽氣通道，將靠近陽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。

電弧加熱裝置運(yùn)行過程中，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。

附圖說明

圖1為電弧加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為電弧加熱裝置工作系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、2所示，本發(fā)明包括：陰極1、兼做噴管的陽極7、絕緣件3和金屬套5，陰極1通過陰極卡件2固定在絕緣件3上，金屬套5一端與絕緣件3相連，另一端與陽極噴管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。