[发明专利]叠片式电弧加热器工作特性诊断系统及诊断方法

说明书

本发明涉及叠片式电弧加热器工作特性诊断系统及诊断方法，利用平衡声速法焓值测量方法研究叠片式加热器运行范围内气流焓值与电弧加热器调节参数之间的规律，通过系统的研究，获得气流焓值与电弧加热器质量流量、电流之间的定量关系，可直接评估不同运行加热器运行参数下等离子体气流的焓值，提高了飞行器地面试验过程中气动热参数的调试效率；本发明诊断系统直接应用于电弧加热器气动热地面试验，通过调节电弧加热器进入试验介质的质量流量和运行电流，可直接定量评估不同运行加热器运行参数下等离子体气流的焓值，提高了飞行器地面试验过程中气动热参数的调试效率，有益于工程型号试验的迅速开展。

技术领域

本发明涉及叠片式电弧加热器工作特性诊断系统及诊断方法，属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术

电弧风洞是进行高超声速飞行器再入和热防护研究的重要地面试验设备，是各航天大国进行空间探索的关键技术之一和核心竞争力。高超声速飞行器再入大气层,由于强激波和粘性滞止，激波波后温度可达几千甚至上万K,飞行器面临剧烈的气动加热:飞行器周围气体被离解、电离为等离子体，再入流场经历热力学平动、振动、转动、电子温度的变化和气体组分的激发、离解、复合和电离的化学反应过程，加上飞行器表面催化效应和氧化机制的影响，飞行器再入流场过程非常复杂，是飞行器热防护研究的重点。电弧风洞通过电弧加热方式产生高焓等离子体气流，模拟飞行器再入流场条件，进行飞行器防热研究的地面试验，而其中关键在于地面风洞设备准确模拟再入过程的热参数：总焓和热流。

目前已有的电弧加热器设备主要有管式、分段、交流、叠片几种方式。叠片式电弧加热器通过拉长电弧通道，提高电弧能量密度，可以获得很高的气流焓值，是目前进行高焓地面防热考核试验的主要设备。叠片加热器试验调试是通过改变电流和进气流量来调节气流参数，采用平衡声速法获得气流焓值。国外方面,关于叠片式电弧加热器工作特性的实验研究集中在对于其焓压特性的研究，可追溯到上世纪70年代，美国AEDC研究中心采用实验手段研究了5MW叠片电弧加热器的焓压特性，之后该研究机构陆续开展了对该类型电弧加热器焓压特性的实验研究。NASA Ames研究中心的F.S.Milos发展了ARCFLO高焓流场计算程序，开展了电弧加热器工作特性的数值模拟工作。近年来，韩国首尔大学的Sooseok CHOI等人数值模拟了400kW叠片式电弧加热器的工作特性，研究了加热器运行参数范围内(电流：300-500A,流量：6-14g/s)等离子体高温气流参数的变化。德国Stuttgart大学Jeong Lee等人针对750kW叠片式电弧加热器，采用数值模拟研究了不同运行电弧电流和进气流量下加热器的工作特性。NASA Ames研究中心的Tahir等人数值模拟了10MW高压叠片电弧加热器的工作特性。目前的研究中，由于缺乏对叠片加热器工作特性的系统研究，探讨气流总焓与加热器运行电流和进气流量的定量关系，在具体的工程实践中，加热器调试无法直接、迅速的获取所需的气流总焓，因此有必要开展相关的研究，获得气流焓值随气流量、运行电弧电流变化的定量演化规律，对进一步深入了解叠片电弧加热器工作特性以及型号试验工程实践都有非常大的促进作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供叠片式电弧加热器工作特性诊断系统，利用平衡声速法焓值测量方法研究叠片式加热器运行范围内气流焓值与电弧加热器调节参数之间的规律，通过系统的研究，获得气流焓值与电弧加热器质量流量、电流之间的定量关系，可直接评估不同运行加热器运行参数下等离子体气流的焓值，提高了飞行器地面试验过程中气动热参数的调试效率，有益于工程型号试验的迅速开展。

本发明的另外一个目的在于提供叠片式电弧加热器工作特性诊断方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

叠片式电弧加热器工作特性诊断系统，包括电源系统、压力测量装置、流量测量装置和数据分析终端，其中：