燃烧型喷流等离子体发生器及其电子密度诊断实验研究(英文)

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4×1012cm-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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

旋流器内流场的研究

叙述了分别采用五孔探针、热线和激光三种流场测量方法测量旋流器模型内的流场分布情况,并得出基本一致的实验结果,从而为旋流发生器的设计提供理论依据。     

轴对称等离子体流场光谱发射率的求解方法

本文分析讨论了轴对称等离子体流场中光谱发射率的求解问题,发现用多项式分段拟合Abel方程正向积分求解的方法,所得结果与以往文献比较,其计算精度高、误差传递系数小。     

基于动量交换的稳态总压畸变模拟方法研究

为高效快速地模拟稳态总压畸变,基于气流动量交换机理开展了畸变生成方法研究。建立了流场稳态总压畸变控制模型,研制了该型畸变发生器技术验证机,搭建地面畸变模拟试验台,在地面演示验证生成了3个典型构型稳态总压畸变流场,模拟误差为2.7%～5.2%。试验研究表明:基于动量交换机理的空气喷流式畸变发生器直接面向流场构型生成期望的稳态总压畸变,能通过“软调节”控制主流区喷射流位置及大小,快速模拟任意流场畸变,成本低,具有工程使用价值。     

消融控制电弧等离子体发生器放电特性的实验研究

通过衬套材料消融补充等离子体从而控制电弧生长的技术具有很好的应用前景。利用一个总贮能800kJ的模块化电容基脉冲功率源系统为消融控制电弧等离子体发生器强流放电提供电能输入，在一定的参数变化范围内，实验研究了脉冲功率源初始放电参数、等离子体发生器几何参数以及消融材料对消融控制电弧放电特性的影响规律。借助于理论分析，也可定性获得消融控制电弧等离子体压力和温度对上述影响参量变化的依赖关系。     

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。     

发动机喷流对飞机阻力伞性能的影响

飞机阻力伞工作过程中,往往飞机发动机仍未停机,高速发动机喷流会对阻力伞流场产生影响,进而影响阻力伞的工作性能。针对发动机喷流对阻力伞的影响,本文采用流固耦合方法对不同喷流速度下的阻力伞动态开伞过程进行数值仿真,分析了不同喷流速度对阻力伞阻力特性、阻力伞稳定性以及流场特性的影响。研究发现,发动机喷流会使阻力伞前的气流速度变大,从而导致阻力伞动载峰值变大,充满状态的稳态载荷变大,动载峰值出现时刻前移。在本文计算工况下,当发动机喷流速度为250 m/s时,阻力伞充满状态稳态载荷增加21%;当喷流速度为350 m/s时,阻力伞充满状态稳态载荷增加51%;当喷流速度为500 m/s时,阻力伞充满状态稳态载荷增加79%。同时,发动机喷流会使得伞衣内侧下方的压力偏大,导致伞衣压力分布不对称,从而使得阻力伞发生上下摆动,且喷流速度越大,阻力伞摆动振幅越大,阻力伞稳定性越差。     

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.     

三维高超声速底部喷流干扰流场数值模拟与试验研究

通过数值模拟和风洞试验两种手段对来流马赫数M∞=4、喷流压比Pj/P∞=156.8、不同迎角下的三维高超声速底部喷流干扰流场进行了研究.研究结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同,对气动力系数影响显著;在大喷流压比情况下,喷流干扰使导弹纵向气动力系数下降、压心前移.最后,对数值模拟与风洞试验在结果上的差异进行了分析.     

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。     

用脉冲光屏法测量高温等离子体流场中的粒子

粒子场测量技术目前广泛用于气液、气固两相流中，但是在等离子体流场中的粒子测量目前尚未很好解决。本文采用序列脉冲激光屏多次曝光摄影法，克服了流场的严重干扰，在电弧加热器等离子体流场中，对飞行速度达２０００ｍ／ｓ的粒子实验获得成功，得到某一截面内粒子的尺寸、空间分布及数密度等参数。     

一种中心电弧等离子体发生器的理论模型与实验研究

电热化学发射中,烧蚀毛细管等离子体发生器的放电是电能转化为热能的重要阶段。目前,国内外的研究主要集中在对喷管式的毛细管进行实验和理论分析。但喷管式的毛细管却有其不可克服的缺点。因此,笔者提出了采用中心电弧式的毛细管,并从理论上对其进行了描述,同时针对一种通用的材料———聚乙烯在多种贮能条件下进行了放电实验研究,得出了一些规律性的认识。实验表明:中心电弧等离子体发生器在电弧稳定性以及能量转换等方面都有独特的优点。