CN113029495A - 一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，该装置包括：电源能库系统、驱动段、被驱动段、控制系统、真空系统和测试及数据采集系统，所述电源能库系统为驱动段提供电流，驱动段在大电流作用下产生电爆炸，从而在驱动段爆炸腔体内产生高温高压气体，冲破被驱动段与驱动段之间的隔膜，在被驱动段形成高速激波。本发明公开的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，是一种基于新原理、新方法设计的激波管实验装置，该装置能够产生至少40马赫（约14km/s）的高超声速激波，为研究高超声速条件下的大气载入真实气体气动热、气体动力学物理过程以及飞行器热防护材料与结构设计等科学难题提供一种新的实验装置。
Description
技术领域
本发明属于航空航天领域，尤其涉及一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置。
背景技术
高超声速飞行器作为一项具有重要军事用途的技术，在全球范围内广受关注。激波是高超声速飞行器所受流场中非常重要的一种流场结构。激波风洞、激波管等地面模拟设施，是目前开展高超声速飞行器大气或行星再入过程研究及探索的重要途径。然而，随着飞行器速度及高度的不断提高，对激波管等地面模拟装置的激波速度也提出了更高马赫数的要求。
现有的激波管实验装置主要通过机械驱动或者爆轰驱动的方式产生高速激波，这两种类型的驱动方式由于受到气体分子热传导等物理机理的限制，产生的激波速度存在上限，难以达到更高的马赫数要求。目前我国建造的上述驱动类型的激波管或者大型风洞激波模拟设施能达到的马赫数均小于20Mach，相应激波速度约6~7km/s，很难满足更高激波速度的研究需求。
因此，迫切需要探索一种基于新原理、新方法的激波管实验装置，打破现有技术的瓶颈，以产生更高马赫数的激波，为研究高超声速条件下的大气载入真实气体气动热、气体动力学物理过程以及飞行器热防护材料与结构设计等科学难题提供一种新的实验研究手段。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，该装置利用大电流进行驱动，可产生至少40马赫（14km/s）的高超声速激波，用于高空稀薄空气或其他行星再入过程的环境模拟。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，所述装置包括：
电源能库系统，所述电源能库系统由多台电容器并联组成；
驱动段，所述驱动段与电源能库系统中的多台电容器通过同轴电缆连接，电源能库系统为驱动段提供电流；
被驱动段，所述被驱动段由多个管体组成，被驱动段一端与驱动段连接，另一端末端为金属盲板；
控制系统，所述控制系统通过远程光纤隔离通讯与所述装置连接；其包括但不限于电源能库系统充放电控制、测试及数据采集控制和装置启停控制；
真空系统，所述真空系统包括多个真空设备，所述真空设备与驱动段和被驱动段连接；
测试及数据采集系统，所述测试及数据采集系统包括多种诊断设备，所述诊断设备包括但不限于压力传感器、光电倍增管和光谱仪，所述诊断设备安装在被驱动段，并与数据采集卡连接。
优选的，所述驱动段包括：
不锈钢外壳，所述不锈钢外壳为伞状回旋体，由水平圆盘与垂直方向的中空筒体一体成型；
绝缘层，所述绝缘层有上下两层，依次安装在不锈钢外壳的水平圆盘上；
电流汇流环Ⅰ，所述电流汇流环Ⅰ为圆环状导电体，电流汇流环Ⅰ上均匀分布多个电缆插接口，电流汇流环Ⅰ位于绝缘层上层，并与不锈钢外壳通过导电连接件连接；
电流汇流环Ⅱ，所述电流汇流环Ⅱ为圆盘状导电体，其边缘及中心位置处有凸起圆环，边缘凸起圆环上均匀分布多个电缆插接口，中心位置处的凸起圆环中心开有孔；电流汇流环Ⅱ安装在绝缘层的上层，位于电流汇流环Ⅰ内侧；电流汇流环Ⅱ与不锈钢外壳通过绝缘层下层隔离，电流汇流环Ⅱ与电流汇流环Ⅰ之间通过绝缘层上层隔离；
导电铜棒，所述导电铜棒中心为空腔，安装在电流汇流环Ⅱ中心位置处的凸起圆环中心的孔中，并与电流汇流环Ⅱ接触；
驱动开关，所述驱动开关为活塞结构，其固定端与电流汇流环Ⅱ中心位置的凸起圆环固定连接；
爆炸腔体，所述爆炸腔体为绝缘材料围成的圆柱腔体，位于不锈钢外壳垂直方向的中空筒体内，爆炸腔体一端开口；
电爆炸金属丝，所述电爆炸金属丝呈螺旋状，位于在爆炸腔体内，其一端由绝缘线连接在驱动开关的运动活塞杆上，所述绝缘线能够贯穿通过导电铜棒的中心空腔，另一端与不锈钢外壳连接；
隔膜，所述隔膜卡在爆炸腔体与被驱动段的连接处，将驱动段与被驱动段隔开。
优选的，所述绝缘层，其上层位于电流汇流环Ⅰ与电流汇流环Ⅱ之间的部分的上表面有多个非贯穿环状槽。
优选的，所述爆炸腔体内充满氦气，压强为0.1Mpa ~1.0Mpa。
优选的，所述电爆炸金属丝为单根铜丝或者钨丝，直径为0.1mm ~0.5mm。
优选的，所述隔膜，其材料为不锈钢或铝，厚度为1.0mm ~4.0mm，隔膜与被驱动段相邻的表面刻十字槽。
优选的，所述被驱动段的多个管体其管体直径与驱动段爆炸腔体直径一致；所述管体上设置诊断窗口，所述测试及数据采集系统中的诊断装置安装在诊断窗口处。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，是一种基于新原理、新方法设计的激波管实验装置，该装置基于电弧放电驱动的方法产生至少40马赫（约14km/s）的高超声速激波，突破了现有技术中激波速度的上限，能够为研究高超声速条件下的大气载入真实气体气动热、气体动力学物理过程以及飞行器热防护材料与结构设计等科学难题提供一种新的实验装置。
附图说明
图1为本发明的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置部分结构示意图；
图2为本发明的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置的驱动段结构示意图；
图3a为本发明实施例1的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置在实验过程中示波器的显示界面中压力传感器的信号波形示意图；
图3b为本发明实施例1的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置在实验过程中示波器的数据显示窗口的截图；
图中：1.驱动段 2.被驱动段 11.不锈钢外壳 12.绝缘层 13.电流汇流环Ⅰ 14.电流汇流环Ⅱ 15.导电铜棒 16.驱动开关 17.爆炸腔体 18.电爆炸金属丝 19.隔膜。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示的一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，所述装置包括：电源能库系统、驱动段1、被驱动段2、控制系统、真空系统和测试及数据采集系统。
上述电源能库系统由多台电容器并联组成，每台电容均通过两根低感同轴电缆将电能汇聚到驱动段1，为驱动段1提供能量。电源能库系统的电容器数量可根据需要产生的激波速度进行调整。
上述驱动段1如图2所示，具体包括：
不锈钢外壳11，如图2所示所述不锈钢外壳11为伞状回旋体，由水平圆盘与垂直方向的中空筒体一体成型。
绝缘层12，绝缘层12有上下两层，依次安装在不锈钢外壳11水平圆盘上，在电流汇流环Ⅰ13、电流汇流环Ⅱ14和不锈钢外壳11之间起到电隔离的作用。
电流汇流环Ⅰ13，电流汇流环Ⅰ13为圆环状导电体，电流汇流环Ⅰ13上均匀分布多个电缆插接口，这些电缆插接口用于安装与电容器连接用的电缆，电流汇流环Ⅰ13为输出电流汇流环，电流汇流环Ⅰ13与不锈钢外壳11水平圆盘通过导电连接件连接，与不锈钢外壳11组成输出电流通路，将电爆炸后的电流及时导出。
电流汇流环Ⅱ14，电流汇流环Ⅱ14为圆盘状导电体，其圆盘状导电体的边缘及中心位置处有凸起圆环，边缘凸起圆环均匀分布多个电缆插接口，这些电缆用于安装与电容器连接用的电缆，电流汇流环Ⅱ14为输入电流汇流环，起到汇聚电容输出电流的作用；其中心位置处的凸起圆环的中心处开有孔；电流汇流环Ⅱ14安装在绝缘层12上层，位于电流汇流环Ⅰ13内侧，其与不锈钢外壳11通过绝缘层12下层隔离，其与电流汇流环Ⅰ13之间通过绝缘层12上层隔离。
上述电流汇流环Ⅱ14将电容器的输出电流进行汇流，电流汇流环Ⅰ13与不锈钢外壳11将电爆炸后的电流进行输出，从而构成电流回路。电源能库系统中的每台电容器均通过两根低感同轴电缆与电流汇流环Ⅱ14的一个电缆插接口连接。电流汇流环Ⅱ14与电流汇流环Ⅰ13之间的绝缘层12上表面设置了多个非贯穿同心环状槽，这些槽的设置可以增加电流汇流环Ⅱ14与电流汇流环Ⅰ13电极绝缘距离，提高绝缘可靠性。
导电铜棒15，导电铜棒15中心为空腔，其安装在电流汇流环Ⅱ14的中心孔内，并与电流汇流环Ⅱ14接触；
驱动开关16，驱动开关16为是活塞结构，其固定端与电流汇流环Ⅱ14中心位置的凸起圆环固定连接；
爆炸腔体17，爆炸腔体17为绝缘材料与不锈钢外壳11的垂直方向的中空筒体围成的圆柱型腔体，爆炸腔体17一端开口，电爆炸前腔体内充满氦气，压强为0.1~1.0Mpa。
电爆炸金属丝18，电爆炸金属丝18呈螺旋状，保证其受到驱动开关的拉力后能够拉长，不工作时处于自然收缩状态位于爆炸腔体17内；电爆炸金属丝18一端由绝缘线连接在驱动开关16运动活塞杆上，且绝缘线足够长，能够通过导电铜棒15中空中心贯穿整个导电铜棒15，从而保证在非工作状态下，电爆炸金属丝18与导电铜棒15之间保证足够的绝缘距离，另一端与不锈钢外壳11连接，保证发生电爆炸后，电流能够导出；电爆炸金属丝18为单根铜丝或者钨丝，直径为0.1~0.5mm。
隔膜19，隔膜19位于爆炸腔体17与被驱动段2的连接处，将驱动段1与被驱动段2隔开，隔膜材料为不锈钢或铝，厚度为1.0~4.0mm，隔膜19与被驱动段2相邻的表面刻十字槽。
上述被驱动段2，由多个管体连接而成，管体一端与驱动段1的爆炸腔体17的开口端连接，管体直径与驱动段1爆炸腔体17的直径均一致，管体末端为金属盲板，用于构成激波管实验装置；在不锈钢管体上，布局设计了多个用于开展参数测试的诊断窗口。
上述控制系统包括电源能库系统充放电控制、测试及数据采集控制和装置启停控制等控制模块，主要实现电源驱动系统的充放电控制、数据采集和急停操作等功能，为了确保安全，控制系统为远程光纤隔离通讯，具有很高的安全性和可靠性。
上述真空系统包括多个机械泵、分子泵和真空计等真空设备，所述真空设备均与驱动段1和被驱动段2连接，用于驱动段1注入氦气之前抽真空，及被驱动段2保持真空状态，或者改变被驱动段2内的气体成分和真空度，从而获得不同大气或行星再入过程环境模拟条件。
上述测试及数据采集系统包括压力传感器、光电倍增管和光谱仪等诊断设备，这些诊断设备安装在被驱动段2的管体诊断窗口处，诊断设备信号进入数据采集卡中，构成参数测试与数据采集系统。
本发明公开的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置产生激波的过程如下：电源能库系统完成能库充电之前，驱动开关16的活塞位于底部，此时电爆炸金属丝18保持在与导电铜棒15远离的位置，当电源能库系统的电容器充电完成后，驱动开关16启动，其活塞进行运动，将绝缘线拉往导电铜棒15的中心空腔内，以使电爆炸金属丝18与导电铜棒15接触，此时电容器进行高功率脉冲放电，将能量馈入电流汇流环Ⅱ14，并通过导电铜棒15，引爆电爆炸金属丝18形成放电电弧，在几十μs时间内加爆炸腔体17内的工作气体从室温到104K以上，爆炸腔体17内由于高温气体膨胀形成极高的气体压强，当压力达到爆破阈值时，冲破安装在驱动段1与被驱动段2之间的隔膜19，在被驱动段2内形成具有一定速度的冲击波，同时电流通过不锈钢外壳11和电流汇流环Ⅰ13组成的通路返回电容器。
实施例1
基于本发明研制的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，本实施例中给出的具体实施参数：爆炸腔体的形状为圆柱形，其直径为10cm，长度25cm，体积约2L。选择氦气作为工作气体，压强为0.5Mpa。电爆炸金属丝选择单根钨丝，直径约0.1mm。膜片材料选择铝，厚度为1.5mm，刻十字槽，长度8cm；电源能库系统采用8台50μF的电容器并联组成，工作电压为32kV，放电电流约0.8MA；压力传感器按间隔25cm在被驱动段上进行布置。
通过上述配置的实验装置进行实验，其实验结果如图3a和图3b所示，图3a中横轴为时间轴，单位为：50μs/ div，纵轴为信号强度，单位为：V，图中曲线1为放电电流曲线，曲线2为A位置压力传感器信号，曲线3为与A位置相邻的B位置处压力传感器信号；从图3a的波形曲线以及图3b的示波器数据显示窗口可以确定曲线2和3的起跳时刻tA和tB之间的时间差为18μs，在已知传感器间隔距离SA - SB = 25cm情况下，激波的速度可以计算得到为13.9km/s（约40.9马赫）。
实施例2
基于本发明研制的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，本实施例中给出的具体实施参数为：爆炸腔体的形状为圆柱形，其直径为10cm，长度25cm，体积约2L，同样选择氦气作为工作气体，压强为0.1Mpa。电爆炸金属丝选择单根钨丝，直径约0.2mm；膜片材料选择不锈钢，厚度为1.0mm，刻十字槽，长度为6cm；电源能库系统采用8台50μF的电容器并联组成，工作电压为32kV，放电电流约1.0MA；压力传感器按间隔25cm在被驱动段上布置。
通过实施例1中的测试方法，可以计算在本实施中的实验装置能够产生的激波速度为38.1马赫。
实施例3
基于本发明研制的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，本实施例中给出的具体实施参数为：爆炸腔体的形状为圆柱形，其直径为10cm，长度25cm，体积约2L，选择氦气作为工作气体，压强为1Mpa，电爆炸金属丝选择单根铜丝，直径约0.5mm；膜片材料选择铝，厚度为4.0mm，刻十字槽，长度为6cm；电源能库系统采用8台50μF的电容器并联组成，工作电压为36kV，放电电流约0.6MA，压力传感器按间隔25cm在被驱动段上布置。
通过实施例1中的测试方法，可以计算在本实施中的实验装置能够产生的激波速度为45.6马赫。
综上，本发明公开的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置可产生至少40马赫（14km/s）以上的高超声速激波，这是现有技术无法实现的指标，该装置能够为研究高超声速条件下的大气载入真实气体气动热、气体动力学物理过程以及飞行器热防护材料与结构设计等科学难题提供一种新的实验装置。
Claims (7)
1.一种基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，其特征在于，所述装置包括：
电源能库系统，所述电源能库系统由多台电容器并联组成；
驱动段（1），所述驱动段（1）与电源能库系统中的多台电容器通过同轴电缆连接，电源能库系统为驱动段（1）提供电流；
被驱动段（2），所述被驱动段（2）由多个管体组成，其一端与驱动段（1）连接，另一端末端为金属盲板；
控制系统，所述控制系统通过远程光纤隔离通讯与所述装置连接；
真空系统，所述真空系统包括多个真空设备，所述真空设备与驱动段（1）和被驱动段（2）连接；
测试及数据采集系统，所述测试及数据采集系统包括多种诊断设备，所述诊断设备均安装在被驱动段（2），并与数据采集卡连接。
2.根据权利要求1所述的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，其特征在于，所述驱动段（1）包括：
不锈钢外壳（11），所述不锈钢外壳（11）为伞状回旋体，由水平圆盘与垂直方向的中空筒体一体成型；
绝缘层（12），所述绝缘层（12）有上下两层，依次安装在不锈钢外壳（11）水平圆盘上；
电流汇流环Ⅰ（13），所述电流汇流环Ⅰ（13）为圆环状导电体，电流汇流环Ⅰ（13）上均匀分布多个电缆插接口，电流汇流环Ⅰ（13）位于绝缘层（12）的上层，并与不锈钢外壳（11）通过导电连接件连接；
电流汇流环Ⅱ（14），所述电流汇流环Ⅱ（14）为圆盘状导电体，其边缘及中心位置处有凸起圆环，边缘凸起圆环上均匀分布多个电缆插接口，中心位置处的凸起圆环的中心开有孔；电流汇流环Ⅱ（14）安装在绝缘层（12）的上层，位于电流汇流环Ⅰ（13）内侧；电流汇流环Ⅱ（14）与不锈钢外壳（11）通过绝缘层（12）下层隔离，电流汇流环Ⅱ（14）与电流汇流环Ⅰ（13）之间通过绝缘层（12）上层隔离；
导电铜棒（15），所述导电铜棒（15）中心为空腔，安装在电流汇流环Ⅱ（14）中心位置处凸起圆环中心的孔中，并与电流汇流环Ⅱ（14）接触；
驱动开关（16），所述驱动开关（16）为活塞结构，其固定端与电流汇流环Ⅱ（14）中心位置的凸起圆环固定连接；
爆炸腔体（17），所述爆炸腔体（17）为绝缘材料围成的圆柱腔体，位于不锈钢外壳（11）垂直方向的中空筒体内，爆炸腔体（17）一端开口；
电爆炸金属丝（18），所述电爆炸金属丝（18）呈螺旋状，位于在爆炸腔体（17）内，其一端由绝缘线连接在驱动开关（16）的运动活塞杆上，所述绝缘线能够贯穿通过导电铜棒（15）的中心空腔，另一端与不锈钢外壳（11）连接；
隔膜（19），所述隔膜（19）卡在爆炸腔体（17）与被驱动段（2）的连接处，将驱动段（1）与被驱动段（2）隔开。
3.根据权利要求2所述的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，其特征在于，所述绝缘层（12），其上层位于电流汇流环Ⅰ（13）与电流汇流环Ⅱ（14）之间的部分上表面有多个非贯穿环状槽。
4.根据权利要求2所述的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，其特征在于，所述爆炸腔体（17）内充满氦气，压强为0.1Mpa ~1.0Mpa。
5.根据权利要求2所述的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，其特征在于，所述电爆炸金属丝（18）为单根铜丝或者钨丝，直径为0.1 mm ~0.5mm。
6.根据权利要求2所述的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，其特征在于，所述隔膜（19），其材料为不锈钢或铝，厚度为1.0mm~4.0mm，隔膜（19）与被驱动段（2）相邻的表面刻十字槽。
7.根据权利要求1所述的基于电弧放电驱动的高马赫激波管实验装置，其特征在于，所述被驱动段（2）的多个管体，其管体直径与驱动段（1）的爆炸腔体（17）直径均一致；所述管体上设置多个诊断窗口，所述测试及数据采集系统中的诊断装置安装在诊断窗口处。
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