[發(fā)明專利]一種基于平板電極的磁旋電弧燒蝕測(cè)試系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010191243.3
• 申請(qǐng)日: 2020-03-18
• 公開（公告）號(hào): CN111426718A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 關(guān)慰勉;王宏濤;方攸同;劉嘉斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/00
• 分類號(hào): G01N25/00;G01M9/06
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務(wù)所有限公司 33100
• 代理人: 徐關(guān)壽

一種基于平板電極的磁旋電弧燒蝕測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)包括陽極，用于裝載陰極材料樣品的樣品安裝件，對(duì)陰極材料樣品進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)，和保護(hù)罩；電弧產(chǎn)生于陰極和陽極之間，電弧位于保護(hù)罩內(nèi)；陽極和陰極分別具有與燃弧供電電源相連的端口；陰極樣品與樣品安裝件可拆卸式裝配；陰極樣品固定，電弧繞陰極樣品的中心旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：將陰極樣品制備成片狀樣品，搭建能夠產(chǎn)生電弧并在對(duì)陰極樣品進(jìn)行電弧燒蝕的同時(shí)對(duì)陰極樣品進(jìn)行冷卻，模擬高溫電弧風(fēng)洞的燒蝕工況；通過設(shè)置電磁線圈，使電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在陰極樣品固定時(shí)，實(shí)現(xiàn)電弧對(duì)陰極樣品的移動(dòng)燒蝕。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料性能測(cè)試領(lǐng)域，特別是一種對(duì)材料的燒蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的方法和測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)

航空航天技術(shù)是國(guó)家科技實(shí)力的重要標(biāo)志和國(guó)際影響力的有力保障，反映了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力水平。高超聲速飛行器是以超音速飛行的航空航天飛行器，包括高超聲速導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)和星際飛行器等。高超聲速飛行器由于在大氣層內(nèi)高速長(zhǎng)時(shí)飛行，表面氣動(dòng)熱效應(yīng)引發(fā)嚴(yán)重的外形燒蝕。外形燒蝕將導(dǎo)致飛行器產(chǎn)生轉(zhuǎn)捩、翻轉(zhuǎn)甚至解體。因此高超聲速飛行器的防熱設(shè)計(jì)必須經(jīng)過嚴(yán)格防熱試驗(yàn)和考核，以檢驗(yàn)飛行器防熱材料和結(jié)構(gòu)的可靠性、有效性和適用性。目前，針對(duì)飛行器的考核方式主要有模型試飛、數(shù)值模擬和地面風(fēng)洞試驗(yàn)三種。由于高超聲速數(shù)值計(jì)算涉及多物理場(chǎng)耦合，計(jì)算難度大、精度低，難以作為防熱評(píng)估依據(jù)；模型試飛獲得數(shù)據(jù)有限且失敗的風(fēng)險(xiǎn)與成本高，因此地面風(fēng)洞試驗(yàn)是高超聲速飛行器熱防護(hù)評(píng)測(cè)的核心方式。目前能夠開展高超聲速飛行器防熱試驗(yàn)研究的高溫風(fēng)洞設(shè)備主要有燃燒風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、彈道靶等。對(duì)于馬赫數(shù)8以上的防熱考核試驗(yàn)，燃燒風(fēng)洞的流場(chǎng)總溫上限難以滿足試驗(yàn)需求。激波風(fēng)洞和電弧風(fēng)洞可以提供高速高溫空氣流場(chǎng)，然而激波風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間只有毫秒級(jí)，無法滿足高超聲速飛行器的高馬赫數(shù)長(zhǎng)時(shí)間飛行試驗(yàn)研究的需求。相對(duì)而言，電弧風(fēng)洞可以提供長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)考核試驗(yàn)條件，因而成為高超聲速飛行器頭椎、翼前緣及發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件地面防熱考核的必備手段。

高溫電弧風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)高電壓將電弧加熱器內(nèi)銅電極的空氣擊穿，形成強(qiáng)烈的等離子體電弧放電，劇烈地加熱旋轉(zhuǎn)射入的高壓純凈空氣，從而獲得高壓高焓氣流，進(jìn)而通過噴管膨脹加速，形成高溫射流，對(duì)安裝在噴管出口的試件進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)。

電極作為高溫電弧風(fēng)洞的心臟，其使用環(huán)境惡劣，需承受高溫、高氣壓、大電流和高電壓。弧根處極高的熱輸入（~20000 MW/m²）造成電極表面局部氧化、熔化。電極在高壓氣流的沖刷下壁面逐漸削薄，甚至局部燒穿而導(dǎo)致漏氣透水失效。因此，電極的耐燒蝕性能基本決定了電弧加熱器的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

目前，為了減少電極燒蝕，主要的措施包括：1、在電弧控制方面，從縮短弧根燒蝕時(shí)間和減小弧根電流的角度減少電極燒蝕。2、在電極材料方面，目前主要圍繞電弧燒蝕所涉及的熱物理化學(xué)過程進(jìn)行基礎(chǔ)理論探索，探討了材料屬性、材料微結(jié)構(gòu)、電極表面氣氛與溫度等因素對(duì)電極材料燒蝕程度的影響規(guī)律。但是材料理論研究與電弧風(fēng)洞電極實(shí)際服役條件存在重大差別，相關(guān)研究所得出的影響規(guī)律是否能夠直接應(yīng)用于電弧風(fēng)洞尚待驗(yàn)證。

技術(shù)內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠用小尺寸電極材料樣本復(fù)現(xiàn)電弧風(fēng)洞電極的電弧燒蝕工況，和測(cè)試電極材料的耐燒蝕性能的測(cè)試系統(tǒng)。

基于平板電極的磁旋電弧燒蝕測(cè)試系統(tǒng)，包括陽極，用于裝載陰極材料樣品的樣品安裝件，對(duì)陰極材料樣品進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)，和保護(hù)罩；電弧產(chǎn)生于陰極和陽極之間，電弧位于保護(hù)罩內(nèi)；陽極和陰極分別具有與燃弧供電電源相連的端口；陰極樣品與樣品安裝件可拆卸式裝配；陰極樣品與樣品安裝件可拆卸式裝配；陰極樣品固定，電弧繞陰極樣品的中心旋轉(zhuǎn)。

將陰極材料制成陰極樣品裝載在樣品安裝件上，蓋上保護(hù)罩，將陽極和陰極通電，陽極向陰極產(chǎn)生電弧，電弧對(duì)陰極進(jìn)行燒蝕，燒蝕過程中，電弧相對(duì)陰極旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，冷卻系統(tǒng)對(duì)陰極進(jìn)行冷卻，控制電弧和冷卻系統(tǒng)，即可模擬出電弧風(fēng)洞電極的電弧燒蝕工況，電弧燒蝕試驗(yàn)完成后，將陰極樣品取下，進(jìn)行燒蝕后的材料測(cè)試，以便判斷陰極樣品的耐燒蝕性能。