等离子体高能合成射流

第1章 绪论 1.1 等离子体流动控制技术 1.1.1 基本概念 等离子体气动激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度变化对流场施加的一种可控扰动，是将等离子体用于改善飞行器/发动机气动特性的主要技术手段。等离子体流动控制是基于等离子体气动激励这一新概念的主动流动控制技术，其主要特点是：没有运动部件、响应时间短且激励频带宽，有望实现飞行器/发动机气动特性的重大提升。2002年，《简氏防务周刊》曾将国际上等离子体改变飞行器空气动力特性的研究评论为：(期待)一场军用和商业飞行器的革命。2009年，以等离子体气动激励为代表的主动流动控制技术被美国航空航天学会(AIAA)列为10项航空航天前沿技术的第5项。 根据气体放电类型的不同，等离子体激励器目前主要有介质阻挡放电、表面直流电弧/辉光放电和火花放电(等离子体合成射流)三种类型(如图?1-1?所示)。介质阻挡放电(DBD)等离子体激励器是目前研究*多的主动流动控制方式之一，其结构主要包括绝缘介质及隔离开的两个非对称电极，其中一个电极裸露，另一个电极埋置在绝缘介质中。当在两电极间施加高压、高频交流电源时，会在激励器上方形成一个非对称电场，电离电场附近空气形成等离子体；并诱导周围流体向埋入电极方向流动，形成一股用于流动控制的壁面射流。直流放电等离子体激励器结构主要由布置于绝缘板上的耐高温烧蚀电极组成，相对于DBD激励器的不同之处在于两电极布置于绝缘板的同侧，之间没有绝缘介质阻挡。激励器电极可以做成多种不同形状，并且可以根据应用需要改变电极对数和布置方式。相对于脉冲或交流放电，直流放电等离子体电源较为简单，工作产生的电磁干扰较小且易于操作。直流放电等离子体可以分为直流辉光放电和直流电弧放电两种，二者的区别在于输入功率和放电电流大小的不同。当两电极间辉光放电建立以后，如果继续增加输入电压就会发生辉光向弧光的转变。辉光放电的电流大小一般为1～100mA量级，而电弧放电电流会显著增大(约1A)。等离子体合成射流激励器又称为火花放电等离子体激励器或脉冲等离子体射流激励器，是结合合成射流与等离子体激励器两者优势而提出的一种依靠火花放电产生高能射流的激励装置。等离子体合成射流激励器在小腔体内进行气体放电，利用受控流场内自身的流体“合成”流场控制需要的高速射流；根据有无点火电极可分为两电极等离子体合成射流激励器和三电极等离子体合成射流激励器，如图1-2和图1-3所示。等离子体合成射流激励器仅需消耗电能，无机械活动部件，可通过出口大小和方向的改变调整激励器向外部流场的动量注入。等离子体合成射流激励器工作机理是基于气体放电的焦耳加热作用，快速加热膨胀受限腔体内的气体，形成高速射流，根据激励器腔体增压方式分类，其属于升温型主动流动控制激励器。 图1-1 航空飞行器等离子体激励器主要类型 图1-2 两电极等离子体合成射流激励器 图1-3 三电极等离子体合成射流激励器 1.1.2 国内外发展状况 俄罗斯(苏联)*早开始等离子体流动控制的研究，在此领域具有长期的研究历程和独*的学术思想。早期的工作受到飞行器再入时的等离子体黑障现象启发，主要进行高超声速等离子体隐身与减阻研究，获得了大量研究结果。1994年，提出了应用磁流体动力技术(AJAX)的高超声速飞行器概念，综合采用等离子体、磁流体进行流动控制与燃烧控制，引起了国际上的广泛关注[1]。代表性的研究工作：一是在高超声速等离子体减阻方面积累了大量的实验数据；二是对电弧放电、纳秒脉冲放电、微波放电等离子体流动控制，磁场与等离子体气动激励相互作用进行了深入研究。 美国的等离子体流动控制研究[2，3]，早期主要受到俄罗斯AJAX项目的启发，与俄罗斯合作进行了弱电离气体等项目研究，并在阿诺德工程中心的弹道靶风洞中进行了大量实验。1998年以后，研究重点转向介质阻挡放电(DBD)、局部丝状放电和等离子体合成射流(PSJ)。2004年，美国国防部将等离子体流动控制列为面向空军未来发展的重点资助领域之一。主要成果包括纳秒脉冲放电等离子体气动激励和等离子体合成射流激励特性，DBD等离子体气动激励抑制流动分离，局部丝状放电等离子体气动激励控制高速管道射流以及等离子体合成射流控制激波/附面层干扰等。目前，工业部门已经开始进行关键技术攻关，美国国家航空航天局(NASA)兰利研究中心、波音公司、通用电气公司、贝尔直升机公司等与高校开展了很多合作，申请并获批了多项发明专利。 欧洲的等离子体流动控制研究也很活跃。2009～2012年，针对下一代民用客机的发展需求，欧盟实施了PLASMAERO计划，7个国家的11所大学或公司参与了DBD等离子体气动激励诱导的旋涡特性、等离子体气动激励推迟附面层转捩、等离子体气动激励耦合模拟等研究工作。 国内的等离子体流动控制研究早期与隐身结合很紧密，侧重于高超声速减阻。2001年以来，关于DBD等离子体气动激励和其他激励方式的研究得到了大力发展。2005年，中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006━2020年)》将磁流体与等离子体动力学列为“面向国家重大战略需求的基础研究”中的“航空航天重大力学问题”。在大气压放电等离子体及其应用、等离子体在航空航天中的应用等专题研讨会上，等离子体流动控制都是重要的议题。十余所高校和研究所开展了大量研究，工业部门也开始参与有关工作。代表性的研究工作包括：DBD等离子体气动激励特性，PSJ激励器工作特性，纳秒脉冲等离子体流动控制，等离子体气动激励减弱激波强度、控制激波、附面层干扰以及压气机等离子体流动控制等[2-8]。 1.1.3 发展方向 等离子体流动控制学科未来的发展方向预测与展望如图1-4所示，主要包括高速流场、低雷诺数流场两个方向。在高速流场方面，包括高超声速流场耦合激励器设计、激波/边界层干扰控制方法和高超声速飞行器降热减阻三个方面。激励器是流动控制技术的核心，为了适应高超声速流动控制需求，首先需要开展激励器的创新设计，实现激励器与高超声速流场的耦合；激波/边界层干扰控制方法是高超声速流场控制的主要对象，开展控制方法的研究是基础。在低雷诺数流场方面，激励器结构及激励方式设计同样是关键所在，等离子体与低雷诺数流场之间通过边界层-涡的复杂相干、扰动放大等作用发挥控制作用，其控制机理仍是核心所在。降热减阻、增升减阻分别是高超声速飞行器、低速临近空间飞行器面临的主要技术瓶颈，也是等离子体流动控制实现应用的*终目标。 图1-4 航空飞行器等离子体流动控制未来发展方向与展望 1.1.3.1 与高超声速流场耦合的等离子体流动控制激励器设计 等离子体流动控制激励器自出现以来已经历了快速发展，除了在激励器自身工作特性方面取得丰富成果外，也已成功应用于多种跨声速及超声速典型流场结构的控制，包括超声速边界层控制、激波强度和非定常性控制、射流噪声控制、流动分离控制等。但是，激励器在高超声速流场中的应用还比较少。对于高超声速飞行器，其外部流场的空气相对较为稀薄、静压较低，这给等离子体流动控制激励器应用提出了挑战。一方面，在高空稀薄空气环境中，激励器可以利用的气体工质太少，产生的控制力较弱。另一方面，在低气压环境中，气体的放电类型会由火花电弧放电转变为辉光放电，放电模式由原来的击穿电压较高、输入能量较大、能量沉积较为集中的放电转变为低能量、弥散型的放电，这也将导致激励器控制能力减弱。因此，激励器在高超声速流场中的环境适应性问题需要提高。 1.1.3.2 激波/边界层干扰等离子体流动控制方法 激波/边界层干扰是指激波产生的逆压梯度引发的边界层变形、分离、再附以及激波分叉等现象，普遍存在于跨声速、超声速及高超声速飞行器内外流场中。对于高超声速飞行器外流场，激波/边界层干扰是飞行器阻力的重要来源，并可能导致边界层非定常分离，引发飞行器气动阻力、表面热流以及压力载荷的非定常振荡，产生难以预料的气动力和气动力矩，使对飞行器的控制难以有效实施，并可能引发机体结构疲劳。飞行器内流场中激波/边界层干扰产生的复杂非定常波系，会增大内流总压损失和流场畸变，给发动机带来热流峰值、压力脉动、附加气动收缩比以及内通道激波串等问题，甚至会导致发动机停车的严重后果。因此，通过流动控制技术对激波/边界层干扰进行有效控制，能够显著提升高速飞行器的飞行安全性、改善飞行器可操纵性和提高飞行器推进效率。被动控制无需额外的能量消耗，具有控制简单、易于实现、设计制造成本低的特点，但同时也存在通用性差、非设计工况下控制效果不佳、伴随有额外附加损失等不足。作为一种新型主动流动控制技术，等离子体流动控制可以根据流场的实际控制需求，选择控制施加与否；依据受控流场流动的变化，调整控制装置工作参数，实现控制优化；便于组成信息化的闭环反馈控制网络，满足高速流场快速、实时的控制需求。 1.1.3.3 等离子体流动控制在高超声速飞行器的应用 临近空间高超声速飞行器技术是21世纪航空航天技术领域新的制高点，是人类航空航天史上继发明飞机、突破声障飞行之后的第三个划时代里程碑，同时也将开辟人类进入太空的新方式。21世纪初，随着X-43A、X-51A等飞行器的试飞成功，新一轮航空航天热空前高涨，世界各军事大国都不同程度地先后制定并实施了临近空间高超声速飞行演示计划。但是作为人类对“极端”环境和“极端”动力的新挑战，高超声速飞行器仍面临着降热减阻等技术瓶颈，等离子体流动控制技术具有频率响应快、控制能力强等优势，有望实现在高超声速飞行器上的应用。 1.1.3.4 等离子体提高低速飞行器性能研究 空气动力学与等离子体动力学的结合将更加紧密、系统，需要分别掌握二者的基本机理，如低雷诺数翼型流动分离机理、真实飞行环境中等离子体诱导射流特性变化规律、激励波形和激励器结构优化等，进而完成二者的综合集成研究，实现等离子体高效控制。实验研究将更加考虑真实飞行环境，为实现工程应用奠定关键基础，其中*关键的就是飞行高度问题。飞行高度带来了显著的气压、温度变化，对等离子体特性造成了显著影响。仿真计算将进一步广泛用于探索控制机理，同时将在评估等离子体控制效果方面发挥重要作用，因此发展高精度唯像学仿真模型将至关重要。*后，等离子体流动控制技术的工程化将进一步得到强化，国内外已经在小型无人机领域开展了极富成效的工作，平流层飞艇、临近空间无人机也有相关研究，极具应用潜力。 1.1.4 技术展望 1.1.4.1 中短期技术展望 等离子体流动控制技术中短期的发展重点是进一步提高激励器控制效果和实用化水平，并首先完成地面试验验证。未来等离子体气动激励控制效果和实用化水平的研究需要综合考虑以下多个因素：一是激励强度，高速流动控制要求等离子体气动激励具有很高的强度；二是激励功耗，功耗是衡量等离子体流动控制投入/产出比的重要参数；三是特定环境要求，如飞行控制、高速低气压环境等。 DBD等离子体气动激励的优势是激励器易于布置且能耗较低，在抑制低雷诺数、高亚声速流动分离方面取得了显著效果，是未来的重要发展方向。在现有的DBD激励器结构布局下，显著提高DBD激励诱导气流速度面临很大的难度，因此提高加热能力是更为可行的技术途径。纳秒脉冲DBD激励通过快速加热可以产生压缩波甚至激波，展现出脉冲快速加热的良好前景，未来仍需进一步研究不同上升沿、脉冲宽度等参数对加热效果、流动控制效果的影响机制，确定合理的激励参数。同时，还需要重点研究低雷诺数非线性空气动力学，这关系到如何*佳地达到控制目标。 电弧激励的优势是强度大。表面电弧激励在超声速流动控制方面取得了良好效果，但是存在功耗过大、控制范围有限、电弧状态不稳定等问题，未来需要开展低能耗以及多个激励器阵列工作的研究。对于超声速流动控制常用的电弧激励，已有的研究表明，纳秒、微秒、毫秒时间尺度电弧激励的流动控