燃烧型喷流等离子体发生器及其电子密度诊断实验研究

以微型固体火箭发动机为模型,根据等离子体物理学和空气动力学,研制出燃烧型喷流等离子体发生器。利用朗缪尔探针阵列研究发生器喷流流场中电子密度轴向和截面的分布;在处理探针测量数据时,采用由带电粒子连续性方程和Poisson方程得到的朗缪尔探针连续流理论模型。实验结果表明：发生器产生的喷流流场为非均匀等离子体流场,流场中存在大量的自由电子和离子,喷流中心的电子密度最大超过4×10^12cm^-3。喷流等离子体发生器是一种非常有发展前景的飞行器隐身等离子体产生技术。     

大气环境中喷流等离子体隐身试验研究与分析

介绍了喷流等离子体隐身技术的原理性试验及其数值计算.试验是在大气环境中利用微型固体火箭发动机作为等离子体发生器,选择不同的发动机参数和推进剂控制发动机产生不同的喷流等离子体.在小双站角方式下,使用X波段连续波雷达系统测量了不同的喷流等离子体覆盖金属目标表面时的微波散射功率.试验结果表明,等离子体层厚度为9cm、电子密度分布接近为高斯分布、电子与中性气体的碰撞频率为高斯分布、峰值电子密度为1012/cm3量级、峰值碰撞频率为2.2×1011Hz的喷流等离子体对X波段微波具有明显的吸收作用,平均吸收达到90%.数值计算采用时域有限差分(FDTD)方法中的直接积分方法,用试验获得的等离子体层厚度、电子密度分布、电子与中性气体碰撞频率的空间分布等参数计算了有等离子体覆盖时金属目标的雷达散射截面(RCS),选用的微波频率为X波段的典型频率10GHz.数值结果表明,试验产生的特定等离子体能够有效地吸收电磁波的能量,减少RCS.数值计算结果和试验结果较吻合.     

航天器外表面导电面积对朗缪尔探针科学探测的影响

朗缪尔探针的科学探测会受到航天器外表面导电面积与朗缪尔探针传感器有效面积之比大小的影响。如果航天器的外表面导电面积不足够大,朗缪尔探针以扫描电压模式工作时,就会造成航天器地电位的扰动,进而导致朗缪尔探针测量结果的偏差。分析了此问题的物理原理,并进行了相应的理论计算。子午工程探空火箭有效载荷朗缪尔探针在进行科学探测的同时,测量了火箭外表面导电面积与朗缪尔探针传感器有效面积之比不足造成的扰动,测量结果与理论分析基本一致。     

静电探针在高频等离子体风洞中的应用

为了在高频等离子体风洞上开展高超声速飞行器等离子体鞘层的电磁特性研究,研制了一套适用于高频等离子体风洞测试环境的静电探针诊断系统,这是国内第一次采用静电探针对高频等离子体风洞的流场参数进行诊断。该系统具有偏置电压可调、抗干扰能力强、探针性能稳定、高速数据采集等特点。采用该系统对高频等离子体风洞在不同运行功率、不同气体流量下流场核心区域的电子数密度进行了诊断,对相同运行功率和相同流量条件下流场电子数密度沿射流径向的分布进行了测试,并研究了电子数密度随高频等离子体风洞运行功率和气体流量的变化规律。并将诊断结果与网络分析仪微波测量法的数据进行了比对。结果表明,该系统可以很好地满足风洞流场参数的诊断,能够为风洞流场数值建模以及等离子体鞘层电磁特性研究提供可靠的数据支撑。     

PIV测定介质阻挡放电等离子体诱导的体积力

通过提高PIV测量速度场的空间分辨率,得到了精细的等离子体诱导速度场,给出了物面附近等离子体诱导流场的速度型,通过微分形式的N-S方程和积分形式的动量方程分别求解了介质阻挡放电诱导的等离子体体积力,得到了体积力的空间分布,分析了载波频率对等离子体诱导体积力的影响规律.计算结果表明:对于所采用的电极布置方式,等离子体激励器的诱导流场沿射流方向的体积力强于垂直射流方向的体积力;峰峰电压为12kV时,在10~45kHz的载波频率范围内,随着载波频率的升高,体积力呈先增大后减小的趋势.     

微波在薄层等离子体中传输效应研究

为了准确预测再入飞行过程中等离子体对微波传输特性的影响,采用WKB方法、FDTD方法、平面波理论和薄层等离子体理论4种方法,结合粉末激波管上开展的试验研究了X波段和Ka波段微波在薄层等离子体中的传输效应.对于X波段,试验时激波马赫数为9.6、10.7和10.5;对于Ka波段,试验时激波马赫数为10.5.通过对比与分析获得的主要结论有:当等离子体厚度和入射波波长相近时,薄层等离子体理论计算结果比其它三种方法的计算结果更接近于试验结果;在碰撞频率接近并且电子密度小于临界电子密度的条件下,Ka波段微波信号穿过相同厚度的等离子体比X波段微波信号衰减小得多,具有更强的穿透性;如果等离子体碰撞频率和微波入射频率相同,随着电子密度的增加,微波信号穿过相同厚度的等离子体时衰减变大;当碰撞频率和入射波频率差不多时,共振吸收导致衰减达到最大值.     

国外等离子体流动控制风洞试验技术研究

等离子体是一种由大量电子、离子和中性粒子组成且总体上呈中性的物质聚集体,它不同于物质的气态、液态和固态,而被称为物质的第四态.等离子体在航空航天器隐身、降噪、推进及空气动力学等方面的应用一直是国外发达国家的重点研究领域之一.归纳总结了国外研究的主要等离子体风洞形式和等离子体发生器形式;探讨了低、跨、超声速风洞模型上等离子体的作用机理和产生的现象,介绍了在等离子体流动控制方面开展的风洞实验技术研究.     

高焓风洞中带翼钝锥体尾流电子密度的测量与分析

报道了在爆轰驱动高焓激波风洞中开展带尾翼钝锥体电子密度测试的相关研究工作进展.试验气流为4km/s,密度为0.001kg/m3.诊断尾翼对尾流的影响时,为不影响流场并获得足够的空间分辨率采用针状静电探针;实验结果给出带尾翼模型对尾流电子密度影响的定量结果及受影响的空间区域.     

基于等离子体激励的圆柱绕流控制实验研究

为验证低雷诺数条件下,采用大气压等离子体流动控制技术进行圆柱绕流控制的有效性,设计了圆柱绕流实验系统,并开展了圆柱绕流实验研究.实验研究表明,在雷诺数为1.35×104和1.90×104的条件下,等离子体激励器产生的流动扰动,能够有效控制圆柱体绕流的流动分离,并显著改善分离流场,增涡、减涡效果明显.实验结果表明,大气压等离子体流动控制技术是钝体绕流流动特性控制的一种有效手段.     

机翼上表面喷流偏转被动控制实验研究

通过静态推力实验，研究了襟翼形状对机翼上表面喷流偏转的影响。在此基础上，通过涡流发生器对喷流偏转进行被动控制，研究了涡流发生器安装位置、安装角和涡流发生器高度对喷流偏转性能的影响。结果表明:喷流偏角在襟翼偏角为30°时达到最大值，并随襟翼半径增大而增大；使用涡流发生器有助于促进喷流附着、增大喷流偏角；安装角和涡流发生器高度是影响喷流偏转性能的关键参数。     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

基于等离子体合成射流的飞翼布局模型主动流动控制风洞实验研究

为探究等离子体合成射流对三维模型的流动控制效果和机理，在中等展弦比飞翼布局模型前缘布置等离子体合成射流激励器开展低速风洞实验研究。通过六分量天平测力，考察沿弦向、展向不同分布位置的等离子体合成射流对飞翼模型气动力和气动力矩的作用；采用PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速）测量模型表面流场分布，研究等离子体合成射流流动控制机理。结果表明:在飞翼模型单侧布置等离子体合成射流，能够有效改善其气动特性，并能产生附加的滚转力矩，滚转力矩系数变化量最高达到0.009；在飞翼模型左右弦布置等离子体合成射流，能显著增强飞翼模型横向稳定性，滚转力矩系数波动范围减小66.7%。沿弦向，等离子体合成射流位置离前缘越近，控制效果越好，距前缘0mm的激励器控制效果最好；沿展向，布置的等离子体合成射流越多，对模型的升力特性改善作用越明显，布置方式以均布为优。在失速迎角前后，等离子体合成射流的流动控制机理不同:在小迎角下，等离子体合成射流在前缘起到了使转捩提前的作用；在失速迎角附近，则加速了分离区的流动、减小了分离区厚度。     

基于BOS技术的密度场测量研究

背景纹影技术是一种基于图像的大视场、非接触的定量流场测试技术,在流场测量中有着广阔的应用前景。详细介绍了背景纹影技术的基本原理,并从理论上对系统灵敏度以及空间分辨率进行了深入分析。根据背景纹影技术原理,深入设计了背景斑点图案,搭建了密度场测量系统,基于火焰流场和喷流流场开展了定量测量研究,并给出了流场密度和温度分布测量结果。结果表明,背景纹影技术可以便捷、有效地实现流场密度测量和温度测量,为实现大视场定量的流场密度测量提供了一种简洁有效的方法。     

涡旋式等离子体反应器流场的试验研究

本文给出了用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）测量涡旋式电弧等离子体化学反应器流场的实验研究结果。实验表明：这类等离子体反应器中，旋流切向速度分量和轴向速度分量径向分布划分成近轴、过渡和近壁区。喷入电弧等离子体射流对等离子体反应器流场的影响区域是近轴区，对过渡区和近壁区没有影响。提高旋流强度，轴向截面上旋流的两个速度分量径向分布分别呈相似的分布形式，等离子体反应器呈层流流动状态。     

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术(PIV),测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构.结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流.新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体"微泵"工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的"定向输运",其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制.     

射流电铸快速成型基础试验研究

介绍了射流电铸快速成型技术的基本原理与设备系统组成，并进行了基础试验研究。研究结果表明，采用扫描喷射电铸可大大提高电铸的电流密度，实验中可用电流密度高达380A／dm^2，远高于传统电铸电流密度；电铸电流密度和喷嘴扫描速度对铸层表面生长形貌有较大的影响，电流密度低、喷嘴扫描速度快易于获得颗粒细小、表面平整的铸层组织；当喷嘴口径小、喷射距离近时，铸斑尺寸小，定域性好，快速成型零件的尺寸精度高；用自行研制的射流电铸快速成型设备成型了一组具有一定形状的金属铜零件。     

基于粒子图像法的气枪喷嘴除尘效率研究

气枪喷嘴广泛地应用于工业除水除尘中 ,但如何直接量化衡量和评价气枪喷嘴的除尘效果或效率 ,是一个非常困难且有意义的问题。本文作者提出了通过图像处理的方式 ,利用除尘前后粒子的浓度同所反射的光强的相应关系来测算气枪喷嘴的除尘效率的方法。此法能有效地对全场表面的除尘效率分布进行较为精确的测算 ,且操作简便、可重复性强。利用该方法对影响气枪喷嘴除尘效率的多个因素 ;如一次侧压力、喷嘴到平板的距离和射流攻角进行了研究 ,得到了一些有益的结论。这些结论对于了解喷嘴的除尘工作原理及对其进一步改良和优化具有很重要的意义。     

等离子体增强射流掺混的激励参数影响研究

为提高火箭发动机推进剂掺混效率，探究等离子体对单股矩形射流掺混特性的影响，设计了等离子体射流发生与控制系统。使用粒子图像测速技术测量了表面介质阻挡放电等离子体激励器对单股空气射流掺混特性的影响。相比无激励工况，激励电压为5、6和7kV时，射流宽度随电压升高而变大，射流中心线速度衰减率最大提高20%左右；脉冲频率增加，射流宽度增大程度增加，衰减明显，掺混特性增强；激励电压和脉冲频率固定时，改变占空比，在50%~70%的区间内射流速度衰减最强，射流宽度最大。     

非定常电场下锥射流的振荡行为研究

针对非定常电场作用下电雾化系统性研究缺乏的情况，结合空间发动机对电喷雾推进系统脉冲工作的需求，对非定常电场作用下锥射流的振荡行为进行实验研究，利用高速摄像机记录锥射流在非定常电压扰动作用下的脉动变形过程，探讨射流振荡频率与电压扰动频率的匹配关系，分析不同扰动电压参数对射流形态的影响。研究表明:在非定常电场作用下，当电压扰动频率处于低频与高频范围时，射流振荡频率与电压扰动频率接近，此时射流为振荡锥射流模式；扰动频率处于中频范围时，射流振荡频率处于300～500 Hz范围内，此时射流为间歇性喷射模式；随着非定常扰动电压幅值增大，射流处于间歇性喷射模式的频率范围增大，处于振荡锥射流模式的范围减小；电压扰动频率越高，处于振荡锥射流模式的射流锥角越大。