等離子體高能合成射流 節選

第1章 緒論 1.1 等離子體流動控制技術 1.1.1 基本概念 等離子體氣動激勵是等離子體在電磁場力作用下運動或氣體放電產生的壓力、溫度變化對流場施加的一種可控擾動，是將等離子體用于改善飛行器/發動機氣動特性的主要技術手段。等離子體流動控制是基于等離子體氣動激勵這一新概念的主動流動控制技術，其主要特點是：沒有運動部件、響應時間短且激勵頻帶寬，有望實現飛行器/發動機氣動特性的重大提升。2002年，《簡氏防務周刊》曾將國際上等離子體改變飛行器空氣動力特性的研究評論為：(期待)一場軍用和商業飛行器的革命。2009年，以等離子體氣動激勵為代表的主動流動控制技術被美國航空航天學會(AIAA)列為10項航空航天前沿技術的第5項。 根據氣體放電類型的不同，等離子體激勵器目前主要有介質阻擋放電、表面直流電弧/輝光放電和火花放電(等離子體合成射流)三種類型(如圖?1-1?所示)。介質阻擋放電(DBD)等離子體激勵器是目前研究*多的主動流動控制方式之一，其結構主要包括絕緣介質及隔離開的兩個非對稱電極，其中一個電極裸露，另一個電極埋置在絕緣介質中。當在兩電極間施加高壓、高頻交流電源時，會在激勵器上方形成一個非對稱電場，電離電場附近空氣形成等離子體；并誘導周圍流體向埋入電極方向流動，形成一股用于流動控制的壁面射流。直流放電等離子體激勵器結構主要由布置于絕緣板上的耐高溫燒蝕電極組成，相對于DBD激勵器的不同之處在于兩電極布置于絕緣板的同側，之間沒有絕緣介質阻擋。激勵器電極可以做成多種不同形狀，并且可以根據應用需要改變電極對數和布置方式。相對于脈沖或交流放電，直流放電等離子體電源較為簡單，工作產生的電磁干擾較小且易于操作。直流放電等離子體可以分為直流輝光放電和直流電弧放電兩種，二者的區別在于輸入功率和放電電流大小的不同。當兩電極間輝光放電建立以后，如果繼續增加輸入電壓就會發生輝光向弧光的轉變。輝光放電的電流大小一般為1～100mA量級，而電弧放電電流會顯著增大(約1A)。等離子體合成射流激勵器又稱為火花放電等離子體激勵器或脈沖等離子體射流激勵器，是結合合成射流與等離子體激勵器兩者優勢而提出的一種依靠火花放電產生高能射流的激勵裝置。等離子體合成射流激勵器在小腔體內進行氣體放電，利用受控流場內自身的流體“合成”流場控制需要的高速射流；根據有無點火電極可分為兩電極等離子體合成射流激勵器和三電極等離子體合成射流激勵器，如圖1-2和圖1-3所示。等離子體合成射流激勵器僅需消耗電能，無機械活動部件，可通過出口大小和方向的改變調整激勵器向外部流場的動量注入。等離子體合成射流激勵器工作機理是基于氣體放電的焦耳加熱作用，快速加熱膨脹受限腔體內的氣體，形成高速射流，根據激勵器腔體增壓方式分類，其屬于升溫型主動流動控制激勵器。 圖1-1 航空飛行器等離子體激勵器主要類型 圖1-2 兩電極等離子體合成射流激勵器 圖1-3 三電極等離子體合成射流激勵器 1.1.2 國內外發展狀況 俄羅斯(蘇聯)*早開始等離子體流動控制的研究，在此領域具有長期的研究歷程和獨*的學術思想。早期的工作受到飛行器再入時的等離子體黑障現象啟發，主要進行高超聲速等離子體隱身與減阻研究，獲得了大量研究結果。1994年，提出了應用磁流體動力技術(AJAX)的高超聲速飛行器概念，綜合采用等離子體、磁流體進行流動控制與燃燒控制，引起了國際上的廣泛關注[1]。代表性的研究工作：一是在高超聲速等離子體減阻方面積累了大量的實驗數據；二是對電弧放電、納秒脈沖放電、微波放電等離子體流動控制，磁場與等離子體氣動激勵相互作用進行了深入研究。 美國的等離子體流動控制研究[2，3]，早期主要受到俄羅斯AJAX項目的啟發，與俄羅斯合作進行了弱電離氣體等項目研究，并在阿諾德工程中心的彈道靶風洞中進行了大量實驗。1998年以后，研究重點轉向介質阻擋放電(DBD)、局部絲狀放電和等離子體合成射流(PSJ)。2004年，美國國防部將等離子體流動控制列為面向空軍未來發展的重點資助領域之一。主要成果包括納秒脈沖放電等離子體氣動激勵和等離子體合成射流激勵特性，DBD等離子體氣動激勵抑制流動分離，局部絲狀放電等離子體氣動激勵控制高速管道射流以及等離子體合成射流控制激波/附面層干擾等。目前，工業部門已經開始進行關鍵技術攻關，美國國家航空航天局(NASA)蘭利研究中心、波音公司、通用電氣公司、貝爾直升機公司等與高校開展了很多合作，申請并獲批了多項發明專利。 歐洲的等離子體流動控制研究也很活躍。2009～2012年，針對下一代民用客機的發展需求，歐盟實施了PLASMAERO計劃，7個國家的11所大學或公司參與了DBD等離子體氣動激勵誘導的旋渦特性、等離子體氣動激勵推遲附面層轉捩、等離子體氣動激勵耦合模擬等研究工作。 國內的等離子體流動控制研究早期與隱身結合很緊密，側重于高超聲速減阻。2001年以來，關于DBD等離子體氣動激勵和其他激勵方式的研究得到了大力發展。2005年，中國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006━2020年)》將磁流體與等離子體動力學列為“面向國家重大戰略需求的基礎研究”中的“航空航天重大力學問題”。在大氣壓放電等離子體及其應用、等離子體在航空航天中的應用等專題研討會上，等離子體流動控制都是重要的議題。十余所高校和研究所開展了大量研究，工業部門也開始參與有關工作。代表性的研究工作包括：DBD等離子體氣動激勵特性，PSJ激勵器工作特性，納秒脈沖等離子體流動控制，等離子體氣動激勵減弱激波強度、控制激波、附面層干擾以及壓氣機等離子體流動控制等[2-8]。 1.1.3 發展方向 等離子體流動控制學科未來的發展方向預測與展望如圖1-4所示，主要包括高速流場、低雷諾數流場兩個方向。在高速流場方面，包括高超聲速流場耦合激勵器設計、激波/邊界層干擾控制方法和高超聲速飛行器降熱減阻三個方面。激勵器是流動控制技術的核心，為了適應高超聲速流動控制需求，首先需要開展激勵器的創新設計，實現激勵器與高超聲速流場的耦合；激波/邊界層干擾控制方法是高超聲速流場控制的主要對象，開展控制方法的研究是基礎。在低雷諾數流場方面，激勵器結構及激勵方式設計同樣是關鍵所在，等離子體與低雷諾數流場之間通過邊界層-渦的復雜相干、擾動放大等作用發揮控制作用，其控制機理仍是核心所在。降熱減阻、增升減阻分別是高超聲速飛行器、低速臨近空間飛行器面臨的主要技術瓶頸，也是等離子體流動控制實現應用的*終目標。 圖1-4 航空飛行器等離子體流動控制未來發展方向與展望 1.1.3.1 與高超聲速流場耦合的等離子體流動控制激勵器設計 等離子體流動控制激勵器自出現以來已經歷了快速發展，除了在激勵器自身工作特性方面取得豐富成果外，也已成功應用于多種跨聲速及超聲速典型流場結構的控制，包括超聲速邊界層控制、激波強度和非定常性控制、射流噪聲控制、流動分離控制等。但是，激勵器在高超聲速流場中的應用還比較少。對于高超聲速飛行器，其外部流場的空氣相對較為稀薄、靜壓較低，這給等離子體流動控制激勵器應用提出了挑戰。一方面，在高空稀薄空氣環境中，激勵器可以利用的氣體工質太少，產生的控制力較弱。另一方面，在低氣壓環境中，氣體的放電類型會由火花電弧放電轉變為輝光放電，放電模式由原來的擊穿電壓較高、輸入能量較大、能量沉積較為集中的放電轉變為低能量、彌散型的放電，這也將導致激勵器控制能力減弱。因此，激勵器在高超聲速流場中的環境適應性問題需要提高。 1.1.3.2 激波/邊界層干擾等離子體流動控制方法 激波/邊界層干擾是指激波產生的逆壓梯度引發的邊界層變形、分離、再附以及激波分叉等現象，普遍存在于跨聲速、超聲速及高超聲速飛行器內外流場中。對于高超聲速飛行器外流場，激波/邊界層干擾是飛行器阻力的重要來源，并可能導致邊界層非定常分離，引發飛行器氣動阻力、表面熱流以及壓力載荷的非定常振蕩，產生難以預料的氣動力和氣動力矩，使對飛行器的控制難以有效實施，并可能引發機體結構疲勞。飛行器內流場中激波/邊界層干擾產生的復雜非定常波系，會增大內流總壓損失和流場畸變，給發動機帶來熱流峰值、壓力脈動、附加氣動收縮比以及內通道激波串等問題，甚至會導致發動機停車的嚴重后果。因此，通過流動控制技術對激波/邊界層干擾進行有效控制，能夠顯著提升高速飛行器的飛行安全性、改善飛行器可操縱性和提高飛行器推進效率。被動控制無需額外的能量消耗，具有控制簡單、易于實現、設計制造成本低的特點，但同時也存在通用性差、非設計工況下控制效果不佳、伴隨有額外附加損失等不足。作為一種新型主動流動控制技術，等離子體流動控制可以根據流場的實際控制需求，選擇控制施加與否；依據受控流場流動的變化，調整控制裝置工作參數，實現控制優化；便于組成信息化的閉環反饋控制網絡，滿足高速流場快速、實時的控制需求。 1.1.3.3 等離子體流動控制在高超聲速飛行器的應用 臨近空間高超聲速飛行器技術是21世紀航空航天技術領域新的制高點，是人類航空航天史上繼發明飛機、突破聲障飛行之后的第三個劃時代里程碑，同時也將開辟人類進入太空的新方式。21世紀初，隨著X-43A、X-51A等飛行器的試飛成功，新一輪航空航天熱空前高漲，世界各軍事大國都不同程度地先后制定并實施了臨近空間高超聲速飛行演示計劃。但是作為人類對“極端”環境和“極端”動力的新挑戰，高超聲速飛行器仍面臨著降熱減阻等技術瓶頸，等離子體流動控制技術具有頻率響應快、控制能力強等優勢，有望實現在高超聲速飛行器上的應用。 1.1.3.4 等離子體提高低速飛行器性能研究 空氣動力學與等離子體動力學的結合將更加緊密、系統，需要分別掌握二者的基本機理，如低雷諾數翼型流動分離機理、真實飛行環境中等離子體誘導射流特性變化規律、激勵波形和激勵器結構優化等，進而完成二者的綜合集成研究，實現等離子體高效控制。實驗研究將更加考慮真實飛行環境，為實現工程應用奠定關鍵基礎，其中*關鍵的就是飛行高度問題。飛行高度帶來了顯著的氣壓、溫度變化，對等離子體特性造成了顯著影響。仿真計算將進一步廣泛用于探索控制機理，同時將在評估等離子體控制效果方面發揮重要作用，因此發展高精度唯像學仿真模型將至關重要。*后，等離子體流動控制技術的工程化將進一步得到強化，國內外已經在小型無人機領域開展了極富成效的工作，平流層飛艇、臨近空間無人機也有相關研究，極具應用潛力。 1.1.4 技術展望 1.1.4.1 中短期技術展望 等離子體流動控制技術中短期的發展重點是進一步提高激勵器控制效果和實用化水平，并首先完成地面試驗驗證。未來等離子體氣動激勵控制效果和實用化水平的研究需要綜合考慮以下多個因素：一是激勵強度，高速流動控制要求等離子體氣動激勵具有很高的強度；二是激勵功耗，功耗是衡量等離子體流動控制投入/產出比的重要參數；三是特定環境要求，如飛行控制、高速低氣壓環境等。 DBD等離子體氣動激勵的優勢是激勵器易于布置且能耗較低，在抑制低雷諾數、高亞聲速流動分離方面取得了顯著效果，是未來的重要發展方向。在現有的DBD激勵器結構布局下，顯著提高DBD激勵誘導氣流速度面臨很大的難度，因此提高加熱能力是更為可行的技術途徑。納秒脈沖DBD激勵通過快速加熱可以產生壓縮波甚至激波，展現出脈沖快速加熱的良好前景，未來仍需進一步研究不同上升沿、脈沖寬度等參數對加熱效果、流動控制效果的影響機制，確定合理的激勵參數。同時，還需要重點研究低雷諾數非線性空氣動力學，這關系到如何*佳地達到控制目標。 電弧激勵的優勢是強度大。表面電弧激勵在超聲速流動控制方面取得了良好效果，但是存在功耗過大、控制范圍有限、電弧狀態不穩定等問題，未來需要開展低能耗以及多個激勵器陣列工作的研究。對于超聲速流動控制常用的電弧激勵，已有的研究表明，納秒、微秒、毫秒時間尺度電弧激勵的流動控