空间环境下密封继电器分断电弧特性与最优灭弧条件研究

Focusing on the key issues of the aerospace relay's arc characteristics and long life design, the project intends to carry out the research on the thermophysical properties of arc plasma, the effect mechanism of the space thermodynamics and charged particle radiation on the arc, the multi-fields coupling simulation of arc and the optimal extinction conditions. First of all, the effect mechanism of space environment, containing thermal, mechanics and radiation, on the arc plasma will be investigated based on the methods of testing and modeling. Then the thermophysical properties of the arc plasma will be studied and the arc plasma may be composed of the single gas, the binary gas or the multi-gas mixture of the metal vapor palsma. The effect of the water vapor, the thermal environment and the particle radiation on the thermophysical properties will also be studied. Next, the MHD model will be built to obtain the time-variation properties of the fields, the arc duration, the mass erosion of the contacts. The effect of the electrical and arcing factors on the characteristic parameters of the arc can be studied. On this basis, the optimal extinction conditions will be proposed by evaluating the control effect of the alternative gas, pressure and magnetic blow extinction measures on the arc. Finally, the arc test system of the aerospace relay will be built and the arcing environment under the space conditions can be simulated through the shaker system and the thermal vacuum experimental system. The test prototype of the space relay with the replacable contacts can be studied to verify the effectiveness of the optimal conditions of extinguishing arc.

本项目拟围绕航天密封继电器电弧特性及长寿命设计的关键问题，开展电弧等离子体热物理特性，空间热学、力学及带电粒子辐照与电弧作用机理，电弧多场耦合仿真以及最优灭弧条件等研究。结合试验与建模方法研究热学、力学和辐照等空间环境对等离子体的作用机理。研究单一气体、二元混合气体、金属蒸气多元混合气体形成的等离子体热物理属性，揭示水蒸气、热学与力学环境、粒子辐照对热物理属性的影响规律。建立电弧磁流体动力学模型，得到电弧各物理场时变特性及燃弧时间、触头损失量等关键参数，研究分断过程电气因素、燃弧因素等对电弧特性参数的影响规律。在此基础上，评估替代气体、压强和磁吹等调控措施对电弧抑制效果，提出以长寿命为总体目标的最优灭弧条件。通过搭建密封继电器电弧试验系统，采用振动台、恒温恒湿箱、热真空试验系统及空间综合辐照系统等模拟空间条件下的燃弧环境，研究可拆卸密封继电器实验样机，验证调控措施和最优灭弧条件的有效性。

项目建立航天热力学环境下银触头在N2、H2和He气体中分断电弧的三维磁流体动力学模型，研究不同分断因素对电弧温度、电压、燃弧时间等参数的影响，研究触头烧蚀量与燃弧因素之间的关系，比较各种适用于航天继电器的电弧抑制措施对触头烧蚀量的减小程度。燃弧气体和触头蒸汽混合等离子体的热力学特性和输运系数是研究电弧特性和触头烧蚀特性的前提和基础。针对银蒸汽带来的组份之间碰撞现象，提出了碰撞积分的计算方法。银原子与中性气体组份的碰撞采用Lennard-Jones势描述，碰撞参数采用组合法获得；银原子与气体离子组份之间、银离子与气体中性组份之间的碰撞采用极化势描述。采用Gibbs自由能最小化原理和Chapman-Enskog估计法给出了200K~20000K温度范围内任意比例银蒸汽与N2、H2和He气体的混合物平衡组份、热力学特性和输运系数，解决因电弧等离子体热力学特性和输运系数未知而无法进行航天继电器电弧理论分析与建模仿真的问题。建立了航天热力学条件下银触头在N2中分断电弧的三维磁流体动力学模型。该模型考虑了银触头材料汽化烧蚀、银蒸汽浓度和弧根区域鞘层的等效。提出了热力学环境在航天继电器电弧模型中的描述方法，其中力学环境等效为动量方程的体积力，热学环境通过温度边界条件、压力边界条件及电弧热力学特性和输运系数实现。结合动态层铺法实现了分断过程温度场、电场、磁场以及银蒸汽浓度的耦合求解，研究了不同分断条件下电弧电压、燃弧时间、触头烧蚀量等参数，给出了热力学环境对电弧特性和触头烧蚀特性的影响规律。采用航天继电器分断电弧三维磁流体动力学模型，研究了H2和He作为燃弧气体、增大气体压强、永磁体磁场吹弧等适用于航天继电器的电弧抑制措施对电弧特性和触头烧蚀特性的影响规律。研究结果表明，H2可作为航天继电器的理想燃弧气体；增大压强有利于提高电弧电压，减少蒸发烧蚀量，从而提高电寿命；永磁磁场吹弧可缩短燃弧时间、减少触头蒸发烧蚀量。采用H2熄弧、提高气体压强及磁场吹弧等措施均能有效地加快电弧熄灭，减轻电弧对触头的烧蚀程度。采用高气压H2作为燃弧气体，并配合小体积永磁体吹弧，可有效提高灭弧性能和触头分断寿命。发表了文章9篇，其中SCI检索7篇，EI检索2篇。申请专利2项，已授权1项。共培养毕业硕士研究生3名。