隆永勝, 袁竭, 姚峰, 趙順洪, 楊斌

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

大功率電弧加熱設(shè)備能夠重現(xiàn)飛行器熱環(huán)境，近似模擬馬赫數(shù)5～馬赫數(shù)20，長達數(shù)十分鐘的飛行時間，可廣泛應(yīng)用于高超聲速巡航和再入飛行器的氣動加熱以及外形燒蝕特性研究。幾乎所有航天飛機、飛船、星際探測器、各類導(dǎo)彈及攔截器、超燃發(fā)動機等防熱材料與結(jié)構(gòu)部件的試驗?zāi)M，都需要使用大功率電弧加熱設(shè)備驗證其傳/隔熱、熱應(yīng)力/變形、熱匹配、熱操縱性能以及生存能力，因此大功率電弧加熱設(shè)備在航天技術(shù)中占有極其重要的地位[1-2]。

自20世紀(jì)90年代以來，世界主要航天大國均努力謀求超大功率電弧加熱設(shè)備技術(shù)的突破，旨在發(fā)展大型、高壓、大功率電弧加熱設(shè)備，具有足夠的尺度和性能開展防熱材料、防熱結(jié)構(gòu)和燃燒室等測試研究，尤其迫切需要滿足馬赫數(shù)8～馬赫數(shù)12高馬赫數(shù)高超吸氣式飛行器等測試，如燃燒穩(wěn)定性和燃料混合/停留研究需在接近全尺寸的燃燒室內(nèi)開展[3]。美國曾經(jīng)提出發(fā)展單臺或5臺組合式電弧加熱器構(gòu)想以實現(xiàn)400 MW的超大功率[4]，但后來由于多種原因沒有實施。超大功率電弧加熱設(shè)備研發(fā)不僅涉及投資規(guī)模及工程技術(shù)問題，還有一系列關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。

1 大功率電弧設(shè)備概況

電弧加熱設(shè)備主要包括電弧加熱器及電弧風(fēng)洞，電弧風(fēng)洞為電弧加熱器后連接較大的膨脹噴管、試驗段、擴壓器、冷卻器及真空排氣系統(tǒng)組成。電弧風(fēng)洞模擬飛行高度高、動壓低，流場截面大。電弧加熱器也可單獨用于大氣壓下的自由射流試驗，模擬動壓高。電弧加熱器通常采用可控硅直流整流電源，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為：磁旋式(Magnetically-stabilized)、管式(Huels)、長分段式(Long-Segment)、片段組合式(Hybrid)以及片式(Multi-Segment)電弧加熱器，最大焓值可依次提高[5]，常用為管式(見圖1)和片式電弧加熱器(見圖2)[1]。

圖1 管式電弧加熱器示意圖[1]

圖2 片式電弧加熱器示意圖[1]

美國、中國、俄羅斯及歐盟擁有50 MW以上大功率電弧加熱器，20世紀(jì)60年代，美國NASA Ames中心最先研制了低壓片式電弧加熱器，1974年建成了60 MW片式電弧加熱器[6]，用于航天飛機試驗?zāi)M。2014年整合NASA JSC中心的10 MW量級TP3電弧加熱器，可用于氮氣/二氧化碳混合氣體試驗，開展火星探測器、獵戶座計劃試驗研究[7]。1987年至1992年建設(shè)了50 MW的管式電弧加熱器(電源功率100 MW)直連式超燃發(fā)動機試驗設(shè)施(DCAF)[8]。美國Wright空軍飛行動力實驗室在20世紀(jì)60年代研制了50 MW管式電弧加熱器(AFFDL-50 MW)[9-10]，實際運行功率為42 MW，1972年Wright空軍基地(WPAFB)研制了50 MW的再入端頭(RENT)管式加熱器。在20世紀(jì)80年代，將AFFDL和RENT兩座50 MW管式電弧加熱器搬入空軍阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)，分別更名為H2和HR電弧加熱器，H2擴展為50 MW電弧風(fēng)洞[11]。在20世紀(jì)70年代早期，美國AEDC開發(fā)高壓片式電弧加熱器，1976年研制了H1高壓片式電弧加熱器(30 MW)，在此基礎(chǔ)上，1995年研制了H3高壓片式電弧加熱器(70 MW，20 MPa)，主要用于國防部洲際彈道導(dǎo)彈(ICBM)高壓、高熱流模擬。美國利用這些電弧加熱設(shè)備開展了雙子星、阿波羅飛船、航天飛機、獵戶座、火星探測器、機動再入飛行器、通用宇航飛行器、潛射三叉戟系統(tǒng)、超聲速攔截器、先進超聲速武器熱防護系統(tǒng)及超燃發(fā)動機燃燒室性能試驗研究和驗證[1,4,12]。圖3顯示了電弧加熱器的模擬高度-速度(h-v)范圍圖。

圖3 大型電弧加熱設(shè)備試驗?zāi)M范圍

歐洲航天局(ESA)因Hermes航天飛機計劃，2001年意大利宇航研究中心(CIRA)建成70 MW低壓片式電弧加熱器的等離子體風(fēng)洞(Scirocco PWT)[13]。20世紀(jì)50至60年代前蘇聯(lián)發(fā)展了多電極頭組合的磁旋式電弧加熱器，在20世紀(jì)70年代末俄羅斯TSNIIMash建設(shè)了U15-T-1，U15-T-2大功率電弧加熱器，其最大功率50 MW[14]。該類電弧加熱器因運行電壓低、電流很大，不容易模擬高焓熱環(huán)境因此應(yīng)用受到限制。我國在2010年后成功研制大功率管式和片式電弧加熱器，在高焓、高壓、高效率、大電流等方面取得了一系列技術(shù)突破。氣體流量達到28 kg/s，駐室壓力超過15 MPa，噴管直徑達到1 500 mm[15]。

當(dāng)今高超聲速滑翔飛行器、巡航飛行器、星際探測器的迅速發(fā)展，在更快、更遠、更機動的機身/推進/熱防護系統(tǒng)一體化、精細化設(shè)計要求越來越高的背景下，電弧加熱設(shè)備作為目前唯一能夠提供高超聲速飛行器高焓、長時間氣動熱環(huán)境試驗?zāi)M的地面設(shè)備，將進一步發(fā)揮重要的作用。

2 大功率電弧設(shè)備需求分析

高超聲速飛行環(huán)境模擬相似參數(shù)包括馬赫數(shù)、總焓、雷諾數(shù)、氣流速度、模型表面壓力、熱流、剪切力及梯度、總加熱量及加熱時間等。電弧加熱設(shè)備由于功率和壓力等限制，通常降低模擬馬赫數(shù)獲得較高的表面壓力和加熱速率以模擬局部壓力、恢復(fù)焓及熱流等參數(shù)，很難模擬馬赫數(shù)、靜焓、湍流、激波強度、輻射加熱、壓力梯度及動能分布。一般將地面測試數(shù)據(jù)用于熱防護系統(tǒng)(TPS)設(shè)計，但該方法對設(shè)計結(jié)果是否給予充分補償尚不完全清楚，導(dǎo)致地面-飛行可追溯性存在較大的不確定性和風(fēng)險。因此，一方面需要基于試驗數(shù)據(jù)庫發(fā)展較完善的數(shù)理模型支撐TPS的設(shè)計；另一方面也要提高電弧加熱設(shè)備能力實現(xiàn)高保真試驗?zāi)M[12,16]。如高馬赫數(shù)吸氣巡航飛行器熱防護材料與結(jié)構(gòu)燒損可能引發(fā)的氣動特性變化研究，要求對燃燒室推力測試更加嚴(yán)格，這基本需要完全復(fù)現(xiàn)飛行狀態(tài)，即使是采用直連式試驗，也要求電弧加熱器具備更高的駐室壓力和超大功率的氣流加熱能力[3,17]。 美國AEDC電弧加熱器H3現(xiàn)有的駐室壓力即使運行到20 MPa，其模擬能力也存在不足(見圖4)，因此需要提高電弧加熱器運行駐室壓力，其發(fā)展目標(biāo)為25 MPa，以實現(xiàn)陡峭再入軌道飛行器鼻錐壓力90%的模擬，以及馬赫數(shù)8以上高馬赫數(shù)超燃發(fā)動機直連式試驗?zāi)M，并計劃開發(fā)200～400 MW的超大功率電弧加熱器[1,18]。NASA Ames也多次提及設(shè)計300 MW高壓電弧加熱器。雖然目前這些計劃的進展未見披露，但不可否認(rèn)，其核心技術(shù)的研發(fā)一直沒有中斷，并實質(zhì)性地開展了大量有關(guān)電弧控制、電極燒損和輻射損失方面的基礎(chǔ)研究工作[19-20]。

圖4 飛行狀態(tài)與H3電弧加熱器試驗狀態(tài)對比[16]

高壓、高焓、長時間的飛行器試驗?zāi)M需求必然會進一步提高電弧加熱器的運行參數(shù)，主要表現(xiàn)在提升電弧功率、駐室壓力和運行時間以及進一步改善流場品質(zhì)上。目前囿于投資規(guī)模、投資效益，超大功率電弧加熱器技術(shù)難度及技術(shù)風(fēng)險的考慮，世界上還未見公開發(fā)表的文獻報道建成功率大于100 MW且運行壓力超過20 MPa的高焓電弧加熱器。隨著各類新型高超聲速飛行器、星際探測技術(shù)的迅速發(fā)展，對超大功率電弧加熱器(>100 MW)的需求是不容質(zhì)疑的。

3 關(guān)鍵技術(shù)

超大功率電弧加熱器在研制上存在諸多技術(shù)難題，包括設(shè)計方法、高壓、大電流低燒損、高效率、高焓技術(shù)、長時間、低污染和流場穩(wěn)定性等。涉及流體力學(xué)、等離子體物理、電磁場、工程熱物理、機械設(shè)計、材料學(xué)、高電壓與絕緣、控制工程、測試計量等學(xué)科。為了實現(xiàn)電弧加熱器高焓、高壓、大電流等極端條件下的長時間運行穩(wěn)定、可靠，滿足多種類型高超聲速飛行器不同飛行軌道熱環(huán)境的相似模擬需求，需要解決的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：大功率電弧加熱器設(shè)計方法、高壓技術(shù)、大電流技術(shù)、高效率技術(shù)、高焓技術(shù)等。

3.1 大功率電弧加熱器設(shè)計方法

3.1.1 比例相似定律設(shè)計方法

該方法采用大量的簡化假設(shè)，利用量綱分析結(jié)合音速流公式、能量守恒、沙哈方程及恒溫模型獲得電弧加熱器設(shè)計的相似準(zhǔn)則和比例縮放規(guī)律，通過前期試驗數(shù)據(jù)庫回歸分析可進一步獲得焓值與電流、電壓與壓力、電壓與電流的相互定量關(guān)系來指導(dǎo)設(shè)計[21-22]。該方法在設(shè)計研究中使用方便，如AEDC的H3，H2等電弧加熱器都是由比例相似定律發(fā)展而來，但是實際調(diào)試結(jié)果表明與比例相似定律具有一定差距[8,17]。因此需要發(fā)展更為復(fù)雜的相似準(zhǔn)則關(guān)系，美國采用ARCFLO和SWIRLARC軟件數(shù)值模擬的方法建立加熱器內(nèi)部流動、電氣、輻射傳熱、幾何參數(shù)等之間的關(guān)系，根據(jù)計算結(jié)果結(jié)合試驗數(shù)據(jù)獲得更為準(zhǔn)確的比例相似定律指導(dǎo)設(shè)計[6,22-23]。

在采用比例相似定律設(shè)計電弧加熱器時，必需注意相似參數(shù)的使用條件和應(yīng)用范圍。大功率電弧加熱器的性能極限還取決于在高電流密度和高壓下的運行能力，以及受最大換熱能力和絕緣性能的限制。

3.1.2 數(shù)值模擬設(shè)計方法

20世紀(jì)60年代初，NASA Ames中心開發(fā)了計算軟件ARCFLO，1978年麥道公司(McDonnell Douglas)將其修改為SWIRLARC[24]。經(jīng)過多人的補充完善，目前發(fā)展為ARCFLO4，減少了簡化假設(shè)，建立了流場與電極表面帶非平衡效應(yīng)的近電極模型、湍流及旋渦破裂模型、多維輻射模型、電弧通道預(yù)測模型，求解完全N-S方程、麥克斯韋方程，解決流體力學(xué)、電磁學(xué)、熱傳導(dǎo)多物理場耦合問題[25-31]。該軟件數(shù)值模擬方法與試驗結(jié)果經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，軟件的模擬精度滿足工程使用要求，為美國大功率電弧加熱器的設(shè)計和參數(shù)預(yù)測提供了有力的技術(shù)支持。

國內(nèi)在大型電弧加熱器軟件開發(fā)方面幾乎處于空白。因此，在電弧加熱器數(shù)值模擬及軟件開發(fā)上，需要電弧加熱器應(yīng)用單位與等離子體物理研究工作者共同合作，由應(yīng)用單位提供工程需求和試驗數(shù)據(jù)庫，后者結(jié)合理論分析與試驗數(shù)據(jù)進行軟件的開發(fā)。

3.1.3 電弧加熱器布局設(shè)計

1) 單臺方案。目前單臺管式電弧加熱器的最大功率達到50 MW以上，單臺片式電弧加熱器的運行功率達到70 MW量級。通過單臺電弧加熱器進一步實現(xiàn)超大功率技術(shù)難度較大，必須在電弧加熱器結(jié)構(gòu)及運行技術(shù)進行大幅度改進，尤其是在大電流分流、電極抗燒損、高電壓絕緣、壓縮片片間耐壓擊穿性能、大口徑管內(nèi)電弧運行穩(wěn)定性等方面均需要提高。

2) 組合方案。采用多套電弧加熱器并聯(lián)運行方式，如Lewis研究中心采用4套小型電弧加熱器并聯(lián)組合運行[32]。法國Aerospatiale公司也研究過采用4套5 MW電弧加熱器相互垂直連接到混合室(代號JP200)，噴管垂直于組合加熱器組成的平面，每套電弧加熱器單獨供電[33]。AEDC提出采用5臺H3電弧加熱器并聯(lián)運行實現(xiàn)400 MW功率的方案，目前該項技術(shù)并沒有開展試驗驗證工作。

多套電弧加熱的組合降低了單臺超大功率電弧加熱器研制技術(shù)難度，減少了單臺電弧加熱器帶來的氣流波動，提高了流場均勻性，但存在設(shè)備操作、維護難度增大及熱損失增加等不利因素。組合式電弧加熱系統(tǒng)可采用多套電源分別給對應(yīng)的每套電弧加熱器供電和一套電源對多套電弧加熱器供電的方案。采用多套獨立電源供電避免了各套電弧加熱器相互耦合，但增加了變壓器、整流器、電抗器、電纜及控制系統(tǒng)等硬件設(shè)施的建設(shè)成本。采用一套電源供電基礎(chǔ)設(shè)施簡單，但各套加熱器通過一套回路相互耦合，每套加熱器的波動將會影響其他加熱器的穩(wěn)定工作。電弧加熱器的順序啟弧或同時啟動、運行對其他電弧加熱器的電弧參數(shù)耦合變化影響，對電源是趨于穩(wěn)態(tài)還是造成失穩(wěn)均需要進行理論分析和試驗驗證。

我國在電弧加熱器設(shè)計方法研究方面一直比較欠缺，通常沿用比例相似定律設(shè)計方法進行新型大功率電弧加熱器的設(shè)計，然后開展大量的試驗調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果修正設(shè)計方法，這更多的是一種靠經(jīng)驗積累的技術(shù)發(fā)展途徑。因此，需要深入分析電弧加熱器內(nèi)流機理，開展單臺電弧加熱器設(shè)計分析計算軟件的開發(fā)；同時針對多臺電弧加熱器、電源、電抗器、電阻等并聯(lián)運行電路進行數(shù)值仿真，形成系統(tǒng)分析方法，指導(dǎo)大功率電弧加熱器的設(shè)計和促進并聯(lián)運行技術(shù)的發(fā)展。

3.2 高壓技術(shù)

Felderman等[34]建立了高壓條件下近電極壁面區(qū)的物理模型，與低壓不同，高壓電子鞘層電流更為集中，造成焦耳加熱嚴(yán)重。由于測試?yán)щy，通過研究計算表明[20,27,35]，隨駐室壓力從2 MPa升到6 MPa，電弧的直徑減小約3倍。在電流18 000 A、5 MPa時，弧根弧斑直徑僅為1.1 mm，壓力增加到20 MPa時，弧斑直徑減小約50%，電流密度和能量密度更高，電極表面溫度升高，線燒蝕率增加20%，由于弧斑直徑很小，質(zhì)量燒蝕率降低約50%。雖然采用電磁場、旋轉(zhuǎn)氣流等措施強迫弧根旋轉(zhuǎn)，但高壓下弧根阻力系數(shù)增大，旋轉(zhuǎn)速率降低，線燒損率加劇，造成電極局部深溝槽刻蝕燒穿而失效。在高壓下電極一旦燒損穿孔失效，電弧及高溫高壓氣體直接進入冷卻水通道，使冷卻水受熱急劇汽化膨脹，造成電極外殼及冷卻水管炸裂，出現(xiàn)極大的危險。

因此，大功率電弧加熱器運行壓力越高技術(shù)風(fēng)險越大。目前常用的2類電弧加熱器中，在低功率條件下，管式電弧加熱器結(jié)構(gòu)相對簡單，密封環(huán)節(jié)少，更容易實現(xiàn)高壓。如美國麥道公司的MDC300管式電弧加熱器的運行壓力達到25 MPa，但是其運行功率只有10 MW[36]。美國AEDC的H1片式電弧加熱器(30 MW)設(shè)計壓力25 MPa，實際運行到了16 MPa，以此為基礎(chǔ)設(shè)計的H3 70 MW片式電弧加熱器運行壓力為20 MPa，H3 II短型片式電弧加熱器為研發(fā)25 MPa、145 MW全尺寸電弧加熱器的電絕緣、密封、熱流載荷(≈56.8 MW/m2)的可行性提供參考評定[3]，但目前未見進展報道。當(dāng)前我國50 MW量級管式電弧加熱器最大駐室壓力達到了15 MPa，片式電弧加熱器運行壓力更低，在模擬高動壓飛行狀態(tài)還有較大差距。

電弧加熱器在高壓下運行的不利因素主要有：①電弧高壓下弧柱變細，穩(wěn)定性變差；②旋轉(zhuǎn)氣流壓力梯度減小，對電弧徑向壓縮減弱，導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，容易與壁面短路，造成壓縮片串弧燒壞；③電弧電壓梯度隨壓力增大而增大，容易造成片間擊穿；④弧斑變小，旋轉(zhuǎn)速率降低，線燒蝕率加劇；⑤電弧對電極壁面?zhèn)鳠崃吭黾樱瑹嶝?fù)荷加大，熱應(yīng)力和機械應(yīng)力雙重疊加，造成電極變形結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

提高電弧加熱器運行壓力，需要開展的研究工作包括：①電弧高氣壓下電弧放電機理、弧根與磁場、氣流的作用關(guān)系研究；②高壓條件下電極的傳熱、熱/機械強度分析，發(fā)展高溫、高壓設(shè)計技術(shù)；③研制復(fù)合電極材料及發(fā)展微結(jié)構(gòu)電極，采用磁擴散技術(shù)分散電弧弧斑，減小線燒蝕率；④發(fā)展電弧加熱器高壓運行安全監(jiān)控方法，在電極薄弱位置設(shè)置應(yīng)變、溫度傳感器，實時監(jiān)測電弧電參數(shù)，電極冷卻水溫升、燒損變形等，對故障進行預(yù)判，減少電極及水管炸裂風(fēng)險。

3.3 大電流技術(shù)

為了保持電弧加熱器高焓氣流的模擬能力，增大電弧加熱器功率的同時需要增大電流，因此超大功率離不開大電流。大電流將加重電極燒損，縮短使用壽命，甚至不能達到飛行器全彈道的熱模擬考核時間。研究電極材料傳熱及燒損機制有利于延長大電流工況下電極壽命。為了解決電極燒蝕的問題，研究者從大電流電極影響因素、電弧運動特性、電極燒蝕特性、電極傳熱傳質(zhì)、電極燒蝕機理、電流分流技術(shù)、電極冷卻技術(shù)等方面開展了大量研究。

大電流下電極燒蝕影響因素方面，Benilov等[37-39]研究了弧斑電流密度與總電流的關(guān)系，研究結(jié)果表明，電流密度幾乎與總電流無關(guān)，但是總電流增加造成弧斑熱量輸入、電極溫度、燒蝕速度急劇增加。Puchkarev等[38,40]研究了駐室壓力對電流密度的影響，研究表明增加駐室壓力，電流密度增加，大氣壓下電流密度約108 A/m2，當(dāng)壓力增加到20 MPa時電流密度增加到1 010 A/m2。高壓、大電流計算結(jié)果表明不同壓力下電極電流密度的分布近似[20]。Arustamov等[41]研究了電流與電極溫度的關(guān)系，研究表明，電極溫度升高，離子電流比例增加，電子電流減小，電極溫度增加2%～5%，電子電流降低一個數(shù)量級；Castro等[42]研究表明，不同駐室壓力下電極溫度不同，低壓下電極溫度比離子、氣體溫度高2個數(shù)量級，高壓下電極溫度與離子、氣體溫度基本相同。很多研究表明，電流大小對燒蝕速率影響較大，電流增加燒蝕速率迅速增加。

為了獲得旋轉(zhuǎn)電弧對電極的持續(xù)加熱時間，對電弧的運動規(guī)律及運動速度開展了研究，Sheeley等[43]研究了AEDC H3高壓電弧加熱器中磁場對電弧旋轉(zhuǎn)速率的影響，通過在電弧加熱器尾部安裝光學(xué)玻璃，采用高速攝影機觀察并獲得弧根運動形態(tài)和電弧旋轉(zhuǎn)速率隨磁場強度的變化情況。Dubreus等[12]根據(jù)給定磁場線圈和電流參數(shù)，計算得到旋轉(zhuǎn)速率與磁場力的函數(shù)關(guān)系，并對電弧的阻力系數(shù)進行了估算，阻力系數(shù)與駐室的壓力相關(guān)。對AEDC H3電弧加熱器運行參數(shù)優(yōu)化及電極進行改進，燒蝕率減少了90%以上，圖5所示。Rudolf等[44]發(fā)展了一種電磁線圈測試探頭，用于測量弧根旋轉(zhuǎn)速度，以建立電弧旋轉(zhuǎn)速率模型以及燒損模型。Essiptchouk等[45]研究表明電弧的運動速度在20～150 m/s時，電極的燒蝕量減少，低于或高于這個速度范圍，燒損將加重，但這個速度范圍不是絕對的，也與電弧加熱器的運行特性和冷卻傳熱效果相關(guān)聯(lián)。Milos等[46]根據(jù)對Ames干擾加熱設(shè)備(IHF)電弧的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電弧電流密度的增加將使電弧弧根變得更加不穩(wěn)定，弧根的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度更加不確定。對光滑和跳躍運動模式2種極限狀態(tài)的電極傳熱進行了分析，為電極的設(shè)計給出了無量綱結(jié)果。

圖5 電極燒損對比

電極燒蝕的本質(zhì)是電極的受熱和破壞過程，因此很多學(xué)者從電極燒蝕特性、電極傳熱傳質(zhì)、電極燒蝕機理方面研究了大電流下電極燒蝕。Marotta等[47]以電極表層溫度作為熔化產(chǎn)生燒蝕判據(jù)建立燒蝕的數(shù)學(xué)模型。通過半無限長一維瞬態(tài)傳熱模型計算了電極發(fā)生燒蝕的時間判據(jù)。Felderman等[34,48]建立了電極在旋轉(zhuǎn)電弧周期加熱條件下，熔化、蒸發(fā)、沸騰過程造成質(zhì)量損失的分析模型。Webb等[49]在此基礎(chǔ)上加入了表面剪切對燒損的影響。Sheeley[43]研究指出，電極燒蝕的主要原因不是熔化損失，而是因為電極表面形成氧化皮，氧化皮被燒蝕是主要的燒蝕機制，Cu可通過氧化膜形成導(dǎo)電通道從而改變電弧運動特性。薄的氧化膜增加了陰極點的機動性，運動趨向于連續(xù)運動，而厚的氧化膜，導(dǎo)致跳躍式運動和不規(guī)則的駐留，造成電極的燒損。Jochen等[50-51]提出了大電流下電極燒蝕的熔滴濺射模型，模型指出大電流下的燒蝕與小電流不同，大電流燒蝕主要是熔化濺射而非燒蝕氣化。Yuan等[52-53]根據(jù)大功率電弧加熱器的運行環(huán)境，優(yōu)化了熔滴濺射模型，研究指出燒蝕主要由熔化濺射產(chǎn)生，同時氣流、熔池、弧根的作用力平衡對燒蝕速率影響較大。Valerian[54]建立了旋轉(zhuǎn)電弧的傳熱模型，給出了一種計算電極表面沿時空溫度發(fā)展的方法，該方法考慮了歷次電弧旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的溫度場及傳熱積累，能預(yù)測達到穩(wěn)態(tài)傳熱、溫度平衡電弧所旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。

為解決大電流燒損問題，發(fā)展了多電極電流分流技術(shù)。70 MW量級的片式電弧加熱器無一例外采用了多電極形式分擔(dān)大電流，如AEDC采用6對12個電極，NASA Ames片式電弧加熱器采用了8對16個電極，意大利CIRA Scirocco采用9對18個電極實現(xiàn)電流分流，設(shè)計總電流達到了9 000 A[20]，也是當(dāng)前世界上片式電弧加熱器的最大設(shè)計電流。即使利用有限空間設(shè)計更多的薄電極分擔(dān)更大的電流，但是電極數(shù)量也有一個限制，如果進一步增加電極的數(shù)量將給電極布局、電流分流、運行穩(wěn)定性等帶來不利影響。雖然多電極分流技術(shù)有效地減少了電極燒蝕，但是該技術(shù)目前只適用于較低的駐室壓力，當(dāng)駐室壓力增加，電弧弧阻增加，電弧不穩(wěn)定容易導(dǎo)致串弧，使電流分流失效。

另外，為了降低電極溫度以減少燒蝕，開展了電極冷卻技術(shù)研究。在極端熱流冷卻傳熱情況下，Shope等[55]采用改進的耦合傳導(dǎo)-對流程序，包含凹表面臨界熱流隨冷卻水速度、飽和溫度和法向加速度的關(guān)系，指出過冷強迫對流、核沸騰換熱是冷卻的主要機制，涉及的復(fù)雜耦合及高度非線性過程難以預(yù)測。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)高壓20 MPa、高熱流110 MW/m2噴管，以及月牙結(jié)構(gòu)的高熱流電極冷卻設(shè)計。

國內(nèi)在電弧加熱器的大電流方面，最大電流為6 000 A，與國外的9 000 A相比還有差距。在研制超大功率、高壓電弧加熱器的過程中，需要開展高氣壓、大電流條件下磁場、旋轉(zhuǎn)氣流、電極表面溫度、電極表面特性對弧根運動的影響研究，以及弧根運動模式、運動速度對電極傳熱、燒損的影響研究。掌握相關(guān)規(guī)律，避免弧斑刻蝕、跳躍模式，建立相應(yīng)的電極燒蝕數(shù)理模型，評估電極的熱負(fù)荷，開展試驗驗證，提高大電流、高氣壓條件下電極的壽命。

在大電流電極設(shè)計上，電極的傳熱冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓弧的月牙形凹表面，冷卻水在凹表面流動產(chǎn)生的離心力帶走壁面沸騰的氣泡，從而加強換熱。當(dāng)大功率、大電流、高焓、高壓電弧加熱器的電極和噴管喉道熱流超過冷卻水的傳熱極限，則需要進一步創(chuàng)新電極設(shè)計，發(fā)展蒸騰冷卻、氣膜冷卻、熱管冷卻等技術(shù)。

在磁場設(shè)計方面，由于當(dāng)前的磁場線圈的電源與電弧加熱器串聯(lián)，導(dǎo)致磁場參數(shù)與運行的試驗狀態(tài)不一定匹配。因此可以采用磁場線圈單獨供電的模式，既確保磁場參數(shù)根據(jù)電弧加熱器運行參數(shù)、電極表面特性將電弧弧根的運動速度控制在低燒損范圍，也防止磁場太強導(dǎo)致電弧震蕩或吹出電極而熄滅。

在電極燒損監(jiān)測方面，可采用非接觸光譜測量技術(shù)，對流場中水、銅離子濃度進行實時監(jiān)測，分析電極的燒損狀態(tài)，對故障做出預(yù)判[56-58]，并進行連鎖控制。

3.4 高效率技術(shù)

對于整個電弧加熱系統(tǒng)的效率，傳統(tǒng)的飽和電抗器控制的二極管整流電源采用鎮(zhèn)定電阻穩(wěn)弧損耗達到約50%，加熱器熱損耗大于25%，加熱氣流的效率不足25%，系統(tǒng)總體效率較低，電弧功率越高和氣體流量越小其效率更低。采用可控硅直流整流電源改造后，電源輸出具有下降伏安特性，不需要額外的穩(wěn)弧電阻。如Scirocco大功率電弧加熱設(shè)備除了多電極分流必須的電阻外，并沒有阻值較大的穩(wěn)弧電阻，從而提高了效率，減少了超大功率電源的投資規(guī)模。

在減小或去除鎮(zhèn)定電阻后，電弧參數(shù)的穩(wěn)定性會受到一定的影響，為保證起弧和穩(wěn)定電弧，電源直流側(cè)串聯(lián)了直流穩(wěn)弧平波電抗器。傳統(tǒng)的PI閉環(huán)控制模式不能滿足控制的要求，采用非線性反饋+預(yù)測復(fù)合控制策略，弱化控制系統(tǒng)對參數(shù)的依賴性，并減少控制器復(fù)雜度[59-60]。

在高壓、大電流條件下，電弧加熱器壁面熱流急劇增加，麥道公司在段式電弧加熱器(MDC200)的研究數(shù)據(jù)表明[61]，加熱器運行在5 MPa時，電極壁面最大熱流為每平方米幾兆瓦到十幾兆瓦，當(dāng)運行到20 MPa時，電極壁面最大熱流增加到每平方米幾十兆瓦以上，熱損失主要為輻射傳熱方式。峰值熱流隨電流增大線性增大，隨駐室壓力的0.6次方變化，極大的熱損失降低了加熱器的效率，其中80%的熱損失發(fā)生在壓縮段和電極上。

提高電弧加熱器的熱效率技術(shù)難度較大，因為降低熱損失與大電流條件下加強電極的換熱，減小表面溫度是相互矛盾的，因此降低熱損失不能影響電極弧根的傳熱，造成電極的燒損。采用的方法是在電弧加熱器內(nèi)流道除了電極外其余部位進行隔熱處理，如片式電弧加熱器降低熱損失可以使用絕緣絕熱內(nèi)壁的壓縮片，在壓縮片內(nèi)壁噴涂熱障涂層、反輻射涂層，可減少輻射熱損失。在管式電弧加熱器內(nèi)加入二次氣流以減少對流換熱，并對電弧的長度進行精確預(yù)測，縮短電極的富余長度以減少熱損失。

3.5 高焓技術(shù)

新一代快速登月或星際返回航天器采用空氣制動以實現(xiàn)減速，其焓值達到70～90 MJ/kg。這是現(xiàn)有電弧加熱器難以達到的。NASA Ames、Scirocco PWT焓值達到45 MJ/kg，要模擬70～90 MJ/kg的焓值，電弧電流將達到14 000～20 000 A[25]，目前差距還很大。

實現(xiàn)高焓的手段主要有3個：①增加電弧電流及電弧功率；②減少氣體流量；③減少熱損失。其中減少氣體流量相當(dāng)重要，但工程實現(xiàn)的難度較大。根據(jù)試驗經(jīng)驗分析，在減少氣體流量方面，片式電弧加熱器的主要技術(shù)難度在于小流量氣流分配技術(shù)。氣流分配進氣環(huán)一般采用聚酰亞胺復(fù)合材料或耐高溫陶瓷材料制作，放置在壓縮片之間起到絕緣和分配壓縮氣流的雙重作用，其上均勻布置的切向進氣孔使氣流切向旋轉(zhuǎn)，約束電弧，防止與管壁短路。電弧加熱器高焓運行時需要的總氣流量小、但壓縮通道長，壓縮片數(shù)量多，平均每個壓縮片之間分配的氣體流量更小，對壓縮片中心的電弧旋轉(zhuǎn)壓縮減弱，通常無法吹離壓縮片之間的氧化物殘渣，造成短路擊穿[12]。另外，高焓運行時電弧熱輻射使壓縮片間安裝的進氣環(huán)溫度升高，導(dǎo)致絕緣和密封失效，氣流不能全部從小孔旋轉(zhuǎn)進入，減弱了氣流的旋轉(zhuǎn)強度，進一步惡化運行條件，導(dǎo)致片間串弧，設(shè)備燒損。

因此，對于片式電弧加熱器，首先確保進氣環(huán)端面可靠密封，使有限的氣流全部從進氣環(huán)小孔進入；其次需要提高進氣環(huán)切向進氣孔數(shù)量減小孔徑，提高孔的角度加工精度，使多個壓縮片間進氣速度和旋轉(zhuǎn)流動方向一致，形成對電弧弧柱的良好約束；再次對進氣流量合理分配，根據(jù)電弧弧長方向的電壓梯度特點針對性地分配流量，避免發(fā)生片間串弧。

對于管式電弧加熱器，主要運行在低中焓、大流量、高壓參數(shù)范圍，焓值提高的難度較大，可通過研制耐燒損電極，進一步增加電弧電流來適當(dāng)提高焓值；還有可改進前電極結(jié)構(gòu)，探索采用串聯(lián)加熱器布局方式，使氣流獲得二次加熱。

4 結(jié) 論

研制超大功率、高壓電弧加熱器，將遇到高壓條件下物理耦合度加大、電弧穩(wěn)定性變差、電弧旁路擊穿效應(yīng)增強、電極壽命縮短、弧根不穩(wěn)定及弧根運動熱管理等越來越突出的問題。需在現(xiàn)有大功率加熱器試驗數(shù)據(jù)庫及歸納分析的基礎(chǔ)上進一步總結(jié)和優(yōu)化，發(fā)展三維電磁場、流體力學(xué)、等離子體動力學(xué)和輻射傳熱耦合的多場數(shù)值模擬計算方法，研究電導(dǎo)率、磁力、溫度及密度梯度、渦流和近壁影響特性對電弧穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化內(nèi)流、電極傳熱分析模型。開展電弧加熱器內(nèi)流參數(shù)預(yù)測及驗證方法研究，內(nèi)流旋渦穩(wěn)定及破裂、旋渦對電弧的穩(wěn)定機制研究，近電極電弧作用機理研究，磁流體(MHD)建模等基礎(chǔ)理論和試驗研究工作。建立包括電源、電阻、電感以及電弧加熱器在內(nèi)的完整耦合系統(tǒng)。對多套電弧加熱器并聯(lián)運行技術(shù)進行試驗驗證。

大功率電弧加熱器有很多核心技術(shù)需要解決，當(dāng)前我國處于嚴(yán)峻的國際形勢，更需要自主創(chuàng)新，加強相關(guān)基礎(chǔ)理論研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，突破技術(shù)瓶頸。