基于气相爆轰的超大功率高压快响应断路器

本发明涉及高温高速气体动力学、高速飞行器等实验研究的，更具体地，涉及一种基于气相爆轰的超大功率高压快响应断路器。

背景技术：

1、激波管/风洞是一种广泛用于高温高速气体动力学、高速飞行器等领域的实验设备，基本原理是：高压驱动气体通过激波压缩低压试验气体，使之达到所需的试验状态。如图1所示，典型的激波管/风洞包括驱动段1’、被驱动段2’、喷管3’和试验段4’；试验前，驱动段1’与被驱动段2’以膜片5’隔开，在驱动段1’中充入高压的驱动气体，在被驱动段2’中充入低压的试验气体；试验时，膜片5’破裂，高压气体膨胀、进入被驱动段2’，同时在被驱动段2’中产生一道快速运动的激波；若直接采用激波后的气体开展试验，则设备以激波管模式运行；若利用经喷管3’加速后的试验气体开展试验，则设备以激波风洞模式运行。

2、试验气体的总温、总压范围是衡量设备能力的主要指标，二者取决于高压驱动气体的驱动能力。常温高压气体已无法满足日益苛刻的试验需求，为此，国内外已发展出三种高性能的驱动技术：活塞驱动、加热轻气体驱动以及爆轰驱动。其中，爆轰驱动技术具有成本低、结构简单而且较为安全等特点，是目前国内的主流技术。

3、爆轰驱动激波管是由bird在1957年首先提出的。中国科学院力学研究所的俞鸿儒先生在1981年建造了一个13.3m长的爆轰驱动激波管，1983年投入使用。中国科学院力学研究所于1994年研制了jf-10爆轰驱动高焓激波风洞【参见俞鸿儒、赵伟、袁生学的氢氧爆轰驱动激波风洞的性能-气动试验与测量控制，1993，7(3)：38-42】。在俞鸿儒先生的帮助下gronig等人于1993年在德国亚琛工业大学建造了应用反向爆轰驱动的高焓激波风洞(th2-d)。1994年，nasa修改原来的自由活塞驱动的设计方案，在gasl建成建设了正向爆轰驱动高焓激波风洞(hypulse)，该风洞同时可以工作于反射激波风洞模式和膨胀管模式【参见chuersm，tsai c-y，bakos rj，erdos ji，rogers rc(2002)nasa’s hypulse facility atgasl-adual mode，dual driver reflected-shock/expansion tunnel.in：lu f，marren d(eds)，advanced hypersonic test facilities，progress in astronautics andaeronautics，vol.198，aiaa，chapter 3，pp29-71】。

4、激波风洞通常可以提供数十毫秒的试验时间。由于激波风洞的工作时间非常短，因此要求配套系统的时间精度和响应速度尽可能高。激波风洞利用化学能、机械能或电能将气体在极短的时间内加热到高温状态，以获得足够的驱动能力。其中，以电能作为能源的驱动方式，需要在极短的时间内(数十微秒)释放出电能，以现有技术的激波风洞为例，其峰值功率可达17gw，供电电压为40kv。高压供电电路的断路器需要极高的响应速度、同时能够允许巨大的瞬时功率和高电压，常规的电气开关无法满足要求，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

5、中国专利文献1(授权公告号cn210375610u，授权公告日：2020.04.21)公开了一种用于超高速风洞的点火装置，包括燃气罐和点火管；点火管包括顺序连接的二级点火管、单向阀、一级点火管和点火探针，二级点火管通过管道与燃气罐连接。该点火装置利用点火探针点火，将一级点火管内的低压燃气点燃，其燃烧后的高压高温气体产物经过单向阀进入二级点火管内，并进一步点燃二级点火管内的超高压燃气；二级点火管内燃烧后的超高温高压气体产物最终进入燃气罐，并点燃燃气罐内的超高压燃气，由于燃气罐内壁为光滑结构，无法促使燃烧波由爆燃转变为爆轰，并且该整体结构复杂。

6、中国专利文献2(授权公告号：cn208478278，授权公告日：2019.02.05)公开了一种大功率高能点火气体放电管，涉及放电管技术领域，包括:陶瓷外壳、位于陶瓷外壳两端的封接盖、两个电极、排气管、引线片、盲支杆和排气支杆，由陶瓷外壳和两端盖构成一容纳腔，所述两个电极的上表面均覆盖保护层，所述保护层为单质钡和碘化钡相互掺杂的保护层，该方案中击穿电压2900v～3300v，无法满足激波管/风洞的要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于气相爆轰的超大功率高压快响应断路器，包括爆轰电离管，所述爆轰电离管具有气体容纳腔，所述气体容纳腔内充装有可燃混气；

2、所述爆轰电离管的相对两侧设置有第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间具有间距，所述第一电极与所述爆轰电离管之间以及所述第二电极与所述爆轰电离管之间相互绝缘；

3、所述爆轰电离管远离所述第一电极和/或所述第二电极一侧设置有点火装置；

4、所述爆轰电离管的内壁设置有凸凹结构，所述凸凹结构用于促使燃烧波由爆燃转变为爆轰，所述凸凹结构的表面与所述爆轰电离管的内壁之间具有夹角；

5、所述凸凹结构为螺纹、环状体或缩颈段，当所述凸凹结构为螺纹时，所述螺纹沿所述爆轰电离管的长度方向延伸；当所述凸凹结构为环状体时，所述环状体的数量为多个，多个所述环状体沿所述爆轰电离管的长度方向排列；当所述凸凹结构为缩颈段时，所述缩颈段的数量为多个，多个所述缩颈段沿所述爆轰电离管的长度方向排列，所述缩颈段沿所述爆轰电离管的长度方向的截面为弧形或三角形，所述缩颈段向所述气体容纳腔一侧凸出；

6、所述爆轰电离管具有相对设置的上端面和下端面，所述上端面靠近所述第一电极一侧，所述下端面远离所述第一电极一侧，其中，所述上端面上开设有排气孔，所述排气孔沿所述爆轰电离管的长度方向贯穿所述上端面，所述排气孔处设置有排气阀，所述排气阀用于控制排气孔打开或关闭；所述下端面上开设有进气孔，所述进气孔沿所述爆轰电离管的长度方向贯穿所述下端面，所述进气孔处设置有进气阀，所述进气阀用于控制进气孔的打开和关闭。

7、可选地，所述第一电极与所述爆轰电离管之间设置有第一绝缘套，所述第一电极套接于所述第一绝缘套；

8、所述第二电极与所述爆轰电离管之间设置有第二绝缘套，所述第二电极套接于所述第二绝缘套。

9、可选地，所述第一电极和/或所述第二电极均包括电极接触区和与所述电极接触区相连接的电极连接区，所述电极接触区位于所述电极连接区靠近所述气体容纳腔一侧，所述电极接触区的延伸方向与所述电极连接区的延伸方向相交；

10、所述第一绝缘套和/或所述第二绝缘套均包括绝缘接触区和与所述绝缘接触区相配合的绝缘连接区，所述绝缘接触区与所述电极接触区相匹配，所述电极接触区套接于所述绝缘接触区，所述绝缘连接区与所述电极连接区相匹配，所述电极连接区套接于所述绝缘连接区。

11、可选地，沿由第一电极指向第二电极一侧的方向，所述电极连接区的长度大于所述绝缘连接区的长度。

12、可选地，所述电极接触区的直径大于所述电极连接区的直径。

13、可选地，所述电极接触区靠近所述气体容纳腔一侧与所述绝缘接触区靠近所述气体容纳腔一侧齐平。

14、可选地，所述第一电极中电极接触区与所述第二电极中电极接触区之间的间距不小于所选电压、可燃混气以及混气压力所对应的击穿距离。

15、可选地，所述爆轰电离管的内径为d，所述凸凹结构沿所述爆轰电离管的长度为l，其中，l＝kd，其中，k为系数，5＜k＜10。

16、可选地，所述可燃混气包括燃料和氧化剂，其中，所述燃料和所述氧化剂的当量比为1～3。

17、与现有技术相比，本发明提供的基于气相爆轰的超大功率高压快响应断路器，至少实现了如下的有益效果：

18、本发明提供一种基于气相爆轰的超大功率高压快响应断路器，包括爆轰电离管，爆轰电离管具有气体容纳腔，气体容纳腔内充装有可燃混气；爆轰电离管的相对两侧设置有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间具有间距，第一电极与爆轰电离管之间以及第二电极与爆轰电离管之间相互绝缘；爆轰电离管远离第一电极和/或第二电极一侧设置有点火装置；爆轰电离管的内壁设置有凸凹结构，凸凹结构用于促使燃烧波由爆燃转变为爆轰；凸凹结构为螺纹、环状体或缩颈段，当凸凹结构为螺纹时，螺纹沿爆轰电离管的长度方向延伸；当凸凹结构为环状体时，环状体的数量为多个，多个环状体沿爆轰电离管的长度方向排列；当凸凹结构为缩颈段时，缩颈段的数量为多个，多个缩颈段沿爆轰电离管的长度方向排列；爆轰电离管具有相对设置的上端面和下端面，上端面靠近第一电极一侧，下端面远离第一电极一侧，其中，上端面上开设有排气孔，爆轰电离管的长度方向，排气孔贯穿上端面，排气孔用于爆轰电离管排气，排气孔处设置有排气阀，排气阀用于控制排气孔打开或关闭；下端面上开设有进气孔，爆轰电离管的长度方向，进气孔贯穿下端面，进气孔处设置有进气阀，进气阀用于控制进气孔的打开和关闭，采用上述方案，能够实现高电压(40kv级别)、大功率(109w级别)、快速响应(10-6s级别)的电路开关功能，能够满足电弧驱动激波管/风洞或激光器的电路开关需求。

19、当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

20、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。