航天继电器稳态电弧等离子体电离过程与电弧特性研究

论文摘要

随着宇航技术的飞速发展,我国的载人航天技术日臻成熟,深空探索成为重要的发展发向。航天继电器是深空探测的各类飞行器上使用最多的零部件,其寿命和工作可靠性对整个飞行器的工作寿命和可靠运行有重要影响。继电器触头在分断或接通电路时都有可能在触头间发生电弧,它会使触头工作条件劣化,极大地影响着航天继电器的工作寿命与可靠性。因此,进行航天继电器电弧特性的研究,对于提高继电器工作寿命、增强继电器工作的可靠性具有重要意义。电弧现象是一个由来已久的问题,这方面国内外研究者做了大量的工作,但大多数研究是从宏观角度开展的,从微观角度来研究却少有人涉及。电弧等离子体的微观模型对于人们深入了解其内部物理过程有很大帮助,对研究电弧等离子体的宏观过程也有辅助的作用,但长期以来此方面的研究比较零散。本文针对航天继电器的触头燃弧现象,从理论建模和实验两方面进行了研究。首先集中总结了几种主要的等离子体微观模型,介绍了其理论构架,阐述了在等离子体处于完全热平衡态和局域热平衡态时模型的变化,对各模型进行了简要的分析比较,并推荐了Eindhoven模型作为工程计算中较适用的等离子体微观模型。其次根据道尔顿分压定律、质量作用定律、电荷准中性条件和化学计量平衡条件建立了航天继电器电弧微观模型,得到关于各类粒子数密度的非线性方程组,结合具体电弧温度值进行了求解,并对几种特定气氛下两种电弧状态——完全热平衡态和局域热平衡态的电弧输运参数进行了计算和比较:①高纯氮气;②高纯氮气中混入少量铜蒸气;③高纯氮气中混入少量氧气;④高纯氮气中混入少量水蒸气,发现了杂质气体对电弧的一些影响规律,为今后计算电弧等离子体其他输运参数奠定了基础。为了检验前述电弧微观模型,本文进行了电弧光谱实验,分析了航天继电器电弧等离子体在前述几种特定气氛下所发出的光谱。该实验与理论研究互为补充,从实践上证实了微观模型里研究的各类粒子的存在,同时也反映出理论模型未计入考虑的其他一些杂质离子的存在,根据其实验结果可对理论模型进行修正。为研究电弧燃烧的宏观特性,本文设计并进行了一系列实验。由于电弧的整个引燃过程反映了电弧的实际物理过程,本文对这一过程进行了高速摄影。根据拍摄的照片进行数字图象处理,得到电弧的一些宏观参数如弧根半径、弧柱半径、弧长、燃弧时间等。由于航天继电器触点对不同性质负载的切换能力不同,本文对不同负载下的电弧形态进行了研究,总结出电弧燃烧的一些规律。与此同时,本文也对触头的机械动作情况进行了初步研究,获得了触头分断速度随时间变化的曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 航天继电器与分断电弧
• 1.2 电弧理论研究概况
• 1.2.1 电弧宏观模型的研究进展
• 1.2.2 电弧微观模型的研究进展
• 1.3 电弧实验研究概况
• 1.4 本文的主要工作
• 2 单温度电弧微观模型
• 2.1 配分函数的求取
• 2.1.1 平动配分函数的求取
• 2.1.2 电子配分函数的求取
• 2.1.3 转动配分函数的求取
• 2.1.4 振动配分函数的求取
• 2.1.5 核配分函数的求取
• 2.1.6 简并度与能级的确定
• 2.2 单温度平衡态电弧特点与建模前提
• 2.3 几种主要气氛下的单温度电弧微观模型
• 2.3.1 在高纯氮气中燃烧的电弧模型
• 2.3.2 在混有少量铜蒸气的高纯氮气中燃烧的电弧模型
• 2与少量O₂ 的混合气体中燃烧的电弧模型'>2.3.3 在高纯N₂与少量O₂的混合气体中燃烧的电弧模型
• 2 与少量水蒸气的混合气体中燃烧的电弧模型'>2.3.4 在高纯N₂与少量水蒸气的混合气体中燃烧的电弧模型
• 2.4 计算结果与分析
• 2.4.1 在纯氮气中燃烧的电弧
• 2.4.2 含有铜蒸气的高纯氮气中燃烧的电弧
• 2与少量O₂ 的混合气体中燃烧的电弧'>2.4.3 在高纯N₂与少量O₂的混合气体中燃烧的电弧
• 2 与少量水蒸气的混合气体中燃烧的电弧'>2.4.4 在高纯N₂与少量水蒸气的混合气体中燃烧的电弧
• 2.4.5 综合比较与分析
• 2.5 本章小结
• 3 双温度电弧微观模型
• 3.1 粒子间的碰撞过程
• 3.1.1 两体碰撞
• 3.1.2 多体碰撞
• 3.2 碰撞频率与碰撞截面
• 3.3 非完全热平衡态电弧特点与建模前提
• 3.4 两种主要气氛下的双温度电弧微观模型
• 2 的环境下双温度LTE 电弧模型'>3.4.1 纯N₂ 的环境下双温度LTE 电弧模型
• 2 的环境下LTE 电弧模型'>3.4.2 混有少量Cu 蒸气的高纯N₂ 的环境下LTE 电弧模型
• 3.5 计算结果与分析
• 3.5.1 在纯氮气中燃烧的电弧
• 3.5.2 含有铜蒸气的高纯氮气中燃烧的电弧
• 3.5.3 综合比较与分析
• 3.6 本章小结
• 4 电弧光谱分析实验
• 4.1 光谱检测法简介
• 4.2 实验方案设计
• 4.2.1 实验原理
• 4.2.2 实验关键
• 4.2.3 主要实验设备
• 4.2.4 实验步骤
• 4.3 结果处理与分析
• 4.3.1 纯氮气环境中的数据处理与分析
• 4.3.2 氮气+氧气环境中的数据处理与分析
• 4.3.3 氮气+水环境中的数据处理与分析
• 4.3.4 空气环境的数据处理与分析
• 4.3.5 综合分析与结论
• 4.4 实验改进设想
• 4.5 本章小结
• 5 电弧高速摄影
• 5.1 高速摄影实验设计
• 5.2 高速摄影机及其拍摄结果
• 5.2.1 机械式高速摄影机
• 5.2.2 旋转反射镜（光学）补偿式高速摄影机
• 5.2.3 旋转平面镜式高速摄影机
• 5.2.4 数字式高速摄影机
• 5.3 不同负载条件下开断电弧比较
• 5.3.1 100A 继电器电弧形态分析
• 5.3.2 50A 继电器电弧形态分析
• 5.3.3 相关波形数据整理与分析
• 5.4 本章小结
• 6 数字图像处理
• 6.1 图像处理技术简介
• 6.2 图像处理过程
• 6.2.1 Media Player 截图
• 6.2.2 Photoshop 处理电弧灰度特性
• 6.2.3 Photoshop 处理触头速度
• 6.2.4 JAVA&MATLAB 编程提取电弧特征
• 6.3 结果分析与结论
• 6.3.1 电弧特性
• 6.3.2 触头机械特性
• 6.4 电弧与负载关系研究
• 6.4.1 100A 继电器燃弧图片分析结果
• 6.4.2 50A 继电器燃弧图片分析结果
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 电弧微观模型部分参数值