直流电弧加热器多电极运行技术试验研究

姚 峰，朱 超，陈德江，周 玮，黄祯君，何 敏

（中国空气动力研究与发展中心超高速所，四川绵阳 621000）

0 引 言

电弧加热器可以长时间提供高压高焓试验气流，主要用来模拟高超声速飞行器（如高超声速导弹、空间进入系统和再入飞行器）在飞行过程中所承受的高温、高压环境，是开展高超声速飞行器防热系统研究与考核的重要地面设备［1－2］。早在上世纪70年代，国外就已建成了60MW级电弧加热试验设备（AMES IHF），随后几十年一直致力于更大功率设备的研制［3－6］，到20世纪末又建成了两座70MW量级电弧加热试验设备（如图1所示）［7－12］。而国内，目前还鲜有数十兆瓦级电弧加热器的报道，根据中国空气动力研究与发展中心电弧加热试验设备运行数据推算，电弧功率达到70MW量级时，电弧电流至少达4500A。由于电极材料的限制，在如此高电流下，现有单电极运行方式将无法正常工作。为解决大电流下设备稳定运行问题，国外发展了一种多电极运行技术，即将电弧电流平均分配到多个电极上，降低单个电极的承载电流，确保大电流下电极运行的可靠性［13－14］。美国航天局阿姆斯研究中心采用6对阴阳电极承载5400A电弧电流实现电弧功率60MW，单个电极最大承载电流1000A，单次最大运行时间为30min。尽管该技术在国外已相当成熟，但由于技术保护等原因，国内还未见多电极运行技术研究的报道。

本文通过对双阴极／单阳极和双阴极／双阳极电弧加热器的运行调试，对比分析了镇定电阻匹配方式、气流参数和电流参数对电弧电流分配的影响，探寻了影响多电极稳定运行的关键因素。

图1 电弧等离子设备发展时间表Fig.1 The development history of Aerospace plasma facility

1 试验设备与方法

图2为试验采用的电弧加热器原理图，由阴极、压缩通道、阳极和喷管组成，压缩通道由相互绝缘的压缩片叠加组成，在高压直流电场的作用下，电弧被稳定维持在阴阳极之间。该设备与传统设备的区别在于阴阳极由多个子电极组成，图2（a）为双阴极／单阳极电弧加热器，阴极由两个子电极组成，图2（b）为双阴极／双阳极电弧加热器，阴阳极分别由两个子电极组成。

为便于说明，定义靠近压缩段的阴极为内阴极（IC），阳极为内阳极（IA），反之则为外阴极（OC）和外阳极（OA）。连接内、外阴极和阳极的镇定电阻分别定义为RIC，ROC和RIA，ROA；通过内外阴极和阳极各个子电极的电流定义为IIC，IOC和IIA，IOA，通过阴极和阳极的总电流为IC和IA。

加热器多电极运行时，阴极（或阳极）内外电极相当于并联，如果二者电位相同，电流会转移到离压缩片最近的内阴极（内阳极）上，电弧电流将无法分配到其余各个子电极上，达不到多电极分配电流的目的。为阻止这种行为，电极上应连接适量的镇定电阻，使内外电极形成一定的电势差以维持电极之间的电弧放电。另外，气流和电流等运行参数的变化会引起加热器运行状态的变化，可能影响电流分配的稳定性和分配比例。因此，试验对比了镇定电阻匹配方式、气流参数和电流参数对多电极运行的影响。

图2 多电极电弧加热器Fig.2 Arc heater with multiple electrodes

镇定电阻采用水冷结构，0.1～0.3Ω范围内阻值可调，额定电流1000A。该镇定电阻采用多排不锈钢管绕制而成，每排之间通过金属滑块连接，试验前调节滑块位置获得所需的镇定电阻值。试验时，不锈钢管中通入高压去离子水强制冷却，确保电阻在设计温度范围内运行，实现镇定电阻在额定电流下长时间稳定可靠工作。

电弧加热器运行时，由于阴极往外发射电子，烧损最为严重，试验时首先对阴极由两个电极，阳极由一个电极组成的双阴极／单阳极加热器进行了调试，摸索了影响阴极各子电极电流分配的因素，最后对阴阳极分别由两个电极组成的双阴极／双阳极加热器进行调试，对比分析了阴极和阳极各个子电极电流分配的影响因素和分配规律。

试验时，采用磁调制式直流比较仪测量电弧电流，采用高精度电阻分压器测量电弧电压，采用孔板流量计测量气体流量，采用惠斯通电桥测量镇定电阻阻值。

2 结果与讨论

2.1 双阴极／单阳极电弧加热器多电极运行调试结果分析

试验时电弧电流设定为1000A。表1为试验时采用的8种镇定电阻匹配方式，S1～S6为外阴极镇定电阻为零，内外阴极镇定电阻之差逐渐减小；S7为内外阴极镇定电阻相同；S8为外阴极镇定电阻不为零，内外阴极镇定电阻之差为0.4Ω。

表1 双阴极单阳极加热器镇定电阻匹配方式Table 1 Ballast resistor setting of arc heater witha dual cathode and single anode

图3为电弧电流1000A、气体流量320g／s时，8种不同电阻匹配方式下，内阴极承载的电流情况。当外阴极镇定电阻等于零，且内外阴极镇定电阻之差大于0.40Ω时（即S1、S2和S3），内阴极电弧电流为零，外阴极电弧电流1000A，此时电流并未分配到内阴极上。当内外阴极镇定电阻之差不大于0.40Ω时（即S4、S5和S6），内阴极和外阴极均承载电流，总电流能够分配到各个子电极上，平均稳定电流分别为250A和750A，但电弧不稳定，几秒后外阴极电流消失，内阴极承载全部电流。当内外阴极连接镇定电阻相同时（即S7），开始几秒电弧电流能够分配到内外阴极上，随后外阴极电流消失，内阴极承载全部电流。当内外阴极均连接镇定电阻，并且内外阴极镇定电阻之差等于0.4Ω时（即S8），电弧电流能够分配到内外阴极且稳定承载，平均稳定电流分别为350A和650A。由此推测，只有在内外阴极均连接镇定电阻，并且满足一定电阻差（RIC－ROC≤0.4Ω）时，总电流才能分配到各个电极上。

图3 不同电阻匹配方式通过内阴极的电流Fig.3 Arc current of inner cathode for different ballast resistor settings

图4为总电流1000A、气体流量320g／s、S8匹配方式时，各电极的电弧电流。在整个开车过程，内外阴极均承载电流，内阴极平均稳定承载电流为350A，外阴极平均稳定承载电流为650A，内外阴极分配的电流之比为7∶13。

图4 IA＝1000A，G＝320g／s电弧电流Fig.4 Arc current for the operation parameters at IA＝1000A，G＝320g／s

图5为总电流1000A、气体流量255g／s、S8匹配方式时，各电极的电弧电流。由图可知，当减小气流量，电弧电流也可稳定分配到各个电极上，内、外阴极平均稳定电流为300和700A，电流分配之比由7∶13变为3∶7。这一结果初步表明，在一定的匹配方式下，改变气体流量参数，电弧电流可以稳定分配到阴极的内外两个电极上，但电流分配比例将随着气体流量的改变而发生变化。

图5 IA＝1000A，G＝255g／s电弧电流Fig.5 Arc current for the operation parameters at IA＝1000A，G＝255g／s

图6为总电流1500A，气体流量255g／s，S8匹配方式时，各个电极的电弧电流。如图中曲线所示，当增大电弧电流时，总电流可以稳定分配到各个子电极上，内、外阴极平均稳定电流为450和1050A，电流之比为3∶7。这一结果初步表明，在一定匹配方式下，气体流量不变，改变电流参数，总电流可以稳定分配到阴极内外两个电极上，且各电极电流分配比例保持不变。

对比图4、5和6中结果可知，在一定的电阻匹配方式下，电弧电流可以稳定分配到各个子电极上。改变气流参数和电流参数，各个子电极均可稳定分配到电弧电流，改变气体流量参数，内外阴极电流分配比例发生变化，改变电流参数，电流分配比例保持不变。由此可见，影响双阳极单阴极电弧加热器电流分配的关键因素是镇定电阻匹配方式，只有在一定的匹配方式下，电弧电流才能稳定分配到各个子电极上，而运行参数如气体流量和电流的变化对电弧电流分配影响较小。

图6 IA＝1500A，G＝255g／s电弧电流Fig.6 Arc current for the operation parameters at IA＝1500A，G＝255g／s

2.2 双阴极／双阳极电弧加热器多电极运行调试结果分析

表2为双阴极双阳极电弧加热器调试时采用的10种镇定电阻匹配方式。其中S1～S4为内阳极镇定电阻大于外阳极，内外阴极镇定电阻取值不同；S5～S7为内外阳极均不连接镇定电阻，内外阴极镇定电阻取值不同；S8～S10为内阳极镇定电阻小于外阳极，内外阴极镇定电阻取值不同。

表2 双阴极双阳极加热器镇定电阻匹配方式Table 2 Ballast resistor settings of arc heater with a dual electrodes

表3为电弧电流1000A，气体流量320g／s，不同镇定电阻匹配方式下，各个电极承载的电弧电流。数据表明，试验采用的10种匹配方式除S7外，各个电极上均承载电弧电流，不同的匹配方式下，电流分配比例不同。因此，只要阴极各个子电极连接镇定电阻，电弧电流均可以稳定分配到阴阳极各子电极上。

对比S1～S3结果可知，阳极镇定电阻不变，阴极变化时，阴极电流分配比例大幅变化，由1：3先后变为7：3和1∶1；而阳极电流分配比例变化则较小，由1∶3，变为7∶13和2∶3。对比S3与S4结果可知，阴极镇定电阻相同且同时减小时，内外阴极电流分配比例减小，由1∶1变为37：63，而阳极电流分配比例保持不变。对比S3，S5与S10结果可知，改变阳极镇定电阻匹配方式，阴极电流分配比例会发生变化，由1∶1变为9∶11和3∶2，阳极电流分配比例也随之变化。由此可见，阴极电流分配对镇定电阻匹配方式依赖性强，改变阴极镇定电阻或阳极的镇定电阻，均可引起阴极电流分配比例的变化，利用这一特性可实现电流分配比例的可控调节。

对比S1～S10可知，阳极连接镇定电阻与否均可实现电流稳定分配在内外阳极上，且分配的电流之比与阴阳极镇定电阻匹配方式有关。

表3 不同电阻匹配方式各电极承载的电弧电流Table 3 Arc current of separate electrode for arc heater with a dual electrode

对比双阴极／单阳极和双阴极／双阳极电弧加热器多电极运行结果可知，多电极运行时，阴极各个子电极必须同时连接镇定电阻，才能实现电流的稳定分配；对于单阳极加热器还需满足一定的电阻差；而对双阳极加热器，阳极连接镇定电阻与否，均可实现阴阳电极的电流稳定分配，且分配比例可大幅调节。因此，在电弧加热器多电极运行时，为了便于各个电极承载电流的稳定分配和比例调节，阴阳极最好成对出现。

2.3 镇定电阻电能损耗分析

对于双阴极／单阳极电弧加热器多电极运行时，内阴极需连接两台，外阴极需连接一台镇定电阻，最大损耗电功率为0.9MW，当电弧功率数十兆瓦时，镇定电阻电能损耗率不超过5%。对于双阴阳极电弧加热器，内外阴极连接一台镇定电阻，阳极不连接镇定电阻，电弧可稳定分配到各个子电极上，最大损耗率为0.6MW，当电弧功率数十兆瓦时，镇定电阻电能损耗率为3%。

镇定电阻最大电功率消耗将近1MW，因此，在多电极运行时，确保电弧稳定分配到各电极的情况下，选用电流分配均匀，且电能损耗最小的电阻匹配方式。

3 结 论

通过对电弧加热器的多电极运行调试，掌握了影响电流分配的关键因素，通过镇定电阻匹配方式调节，实现了多电极稳定运行。主要结论如下：

（1）镇定电阻匹配方式是影响多电极运行时电流分配的关键因素，在一定的匹配方式下，运行参数的变化对电流的稳定分配影响较小。

（2）多电极运行时，阴阳极成对出现，便于各个电极承载电流的稳定分配和比例调节；阴极电流分配对镇定电阻的依赖性强，要求内外阴极同时连接镇定电阻；而阳极连接镇定电阻与否，均能实现内外阳极电流的稳定分配。

（3）多电极运行时，宜选用电流分配均匀，电能损耗最小的电阻匹配方式。

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