CN102014567A - 动压式高能合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种动压式高能合成射流激励器，其壳体(3)上底面开有动压进口(10)和射流出口(2)。壳体(3)的内腔(1)内设有阳极(6)和阴极(7)。阳极(6)上装有可通过旋转带动其在内腔(1)内滑动的第一螺母(4)；阴极(7)上装有可通过旋转带动其在内腔(1)内滑动的第二螺母(9)。该激励器利用高速流动环境动压增压，使合成射流量、工作频率和响应速度大幅提高而所需时间缩短，且无需设置流体供应系统和阀门，具有结构简单、体积小、成本低、控制元件集成易于批量生产的特点。

Description

动压式高能合成射流激励器

技术领域

本发明涉及一种高能射流/喷流发生装置，尤其是一种利用高速来流动能快速增填激励介质的动压式高能合成射流激励器。

背景技术

早期的高能合成射流激励器是由美国霍普金斯大学应用物理实验室2003年提出的一种等离子体合成射流激励器。该激励器由一个带有出口的壳体及其阳极和阴极构成。其工作周期可分为三个阶段：第一阶段，沉积能量；第二阶段，排出射流；第三阶段，吸气复原。在一个周期内通过激励器出口的气体质量通量为0，动量通量不为0，形成的合成射流具有高速特性，这就使得利用等离子体合成射流激励器对高速流动介质实施控制成为可能。但由于第三阶段即吸气复原阶段仅依靠壳体内腔的负压自然吸气，因此，吸气量较小，而且严重依赖激励器工作环境的气体密度。气体稀薄时，进气量骤减，使合成射流的速度急剧下降，性能大幅降低；同时激励器壳体冷却时间较长，使得吸气复原阶段时间拉长，大大减弱了激励器的响应速度和工作频率。此外，由于每一阶段放电壳体内的等离子体都不能迅速排出，当壳体内腔外部的电路放电频率较高时，就会导致腔体内连续放电，以致无法进入吸气复原阶段，从而不能产生射流。总结起来，这种激励器的缺陷可归纳为三点：

1、气量小，导致射流的动量通量和能量偏小，控制能力减弱；

2、壳体内腔自然冷却时间较长，直接影响吸气复原过程，使激励器的工作频率受限，另外，高频工作时，腔体内残余离子浓度偏高形成连续放电，也限制了激励器的工作频率，这样就导致了复原时间过长；

3、工作环境气压与密度偏低，使得壳体内腔进气量不足，不能有效形成射流，从而导致稀薄气体环境下无法工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够有效适应稀薄大气环境，响应速度快，复原时间短，流量大的动压式高能合成射流激励器。

本发明的技术解决方案是，所提供的动压式高能合成射流激励器，参见图1～2，具有壳体3。其技术特点在于，所述壳体3的上底面开有一个动压进口10和一个射流出口2。所述壳体3的内腔1内轴向一端设有带第一脚线5的阳极6；该内腔1内轴向设置阳极6一端的另一端设有带第二脚线8的阴极7。所述第一脚线5同轴线置于所述阳极6的外侧；所述第二脚线8亦同轴线置于所述阴极7的外侧。所述阳极6外侧的第一脚线5上同轴线装有可通过旋转带动阳极6在所述内腔1内沿轴线自由往复滑动的第一螺母4；同样，所述阴极7外侧的第二脚线8上同轴线装有可通过旋转带动阴极7在所述内腔1内沿轴线自由往复滑动的第二螺母9。故可由此通过依次旋转上述第一螺母4、第二螺母9带动阳极6、阴极7作相向或反向滑动，以改变壳体3的内腔1的容量大小，借以适应激励器的不同工况。上述与第一螺母4同轴线相接的第一脚线5和与第二螺母9同轴线相接的第二脚线8分别用于连接外供电源。上述射流出口2可以是圆柱形，也可以是收缩式喷管形，还可以是收缩-扩张式拉法尔喷管形；而上述动压进口10可以是埋入式椭圆形或凸起式椭圆形，也可以是直通型椭圆形或收缩型椭圆形。

本发明的工作原理是，利用外部高速来流所具有的动能迅速增填上述结构的动压式高能合成射流激励器的腔体内介质，使本激励器的腔体内的介质快速稠密化。本激励器的工作周期亦分为三个阶段。本激励器在第一阶段即动压增填阶段，通过外部高速来流所具有的高动能，对其动压进口10附近的流体产生压缩作用，形成一股进气流并使腔体1内的稀薄空气快速稠密化，提高腔体1的充填速率和工作效率；在第二阶段即能量沉积阶段，通过阳极6与阴极7之间火花放电产生的热量，迅速加热腔体1中的气体，使腔体1内的气体急剧增温增压，导致腔内气体能量显著增加，从而为高能射流的形成储备能量；在第三阶段即射流排出阶段，外部高速来流在动压进口10附近产生局部高压，使动压进口10成为气体单向进入通道，大流量高温高压气体在射流出口2处高速喷出，形成高能合成射流。此时腔内压强和温度降低，迅速进入下一个动压增填阶段，开始下一个工作周期。

本发明的有益效果是：

1)充分利用高速流动环境动压对激励器腔体进行增压，使激励器腔体大气稠密化，解决了稀薄气体环境下现有合成射流激励器无法工作的问题，同时还大幅提高了合成射流量，解决了现有合成射流激励器射流流量偏小、复原时间偏长的问题；

2)与负压自然吸气方式相比，本发明的充填激励器腔体的动压进气方式所需时间大大缩短，冷却激励器腔体所需的时间也大大缩短，从而大幅度提高了工作频率和响应速度；

3)充分利用外部高速流动压来排出每一次射流排出腔体后残存于腔体内的等离子体，使激励器腔体内的放电呈脉冲形式而不是连续形式，有效地提高了激励器的工作频率；

4)无需设置流体供应系统和阀门，具有结构简单、体积小、成本低、控制元件集成易于批量生产的特点。

附图说明

图1是本发明动压式高能合成射流激励器一个具体实施例的结构示意图；

图2是图1所示动压式高能合成射流激励器的外形结构示意图。

以上图1～2中的标示为：

1-内腔，

2-射流出口，

3-壳体，

4-第一螺母，

5-第一脚线，

6-阳极，

7-阴极，

8-第二脚线，

9-第二螺母，

10-动压进口。

具体实施方式

参见附图1～2，本发明动压式高能合成射流激励器的该实施例，为加快壳体的冷却速度，取材机械加工特性和绝缘特性俱佳的，其厚度为2mm的玻璃陶瓷板型材，或导热系数较大的，其厚度为2mm的氮化硼板型材制作壳体3。壳体3呈长方体形状，尺寸为60×10×10mm³。壳体3如图1所示其上底面轴向两侧开设动压进口10和射流出口2。其中的动压进口10，为了增加进气流的流量，做成呈凸起状的椭圆孔形，与外部高速来流反向，以便高效利用来流之动压增加可捕获的流量；而射流出口2则呈圆孔形，为了提高射流速度，可以将其做成截面呈喇叭状的收缩式喷管形或收缩-扩张式拉法尔喷管形。

壳体3的内腔1的轴向一端设带第一脚线5的阳极6，设置阳极6一端的另一端设有带第二脚线8的阴极7。其中阳极6取材黄铜制作，阴极7取材石墨制作，呈圆锥形，以降低对击穿电压的要求，减小所需外部电源的功率和体积。第一脚线5同轴线置于阳极6外侧；第二脚线8同轴线置于阴极7外侧。阳极6外侧的第一脚线5上同轴线安装可通过旋转带动阳极6在内腔1内沿轴线自由往复滑动的第一螺母4；阴极7外侧的第二脚线8上同轴线安装可通过旋转带动阴极7在所述内腔1内沿轴线自由往复滑动的第二螺母9。使第一螺母4旋转时可带动阳极6相对阴极7作相向或反向滑动以改变壳体3的内腔1的容量大小；同样，第二螺母9旋转时亦可带动阴极7相对阳极6作相向或反向滑动同样改变壳体3的内腔1的容量大小，从而借以适应激励器的不同工况。与第一螺母4同轴线相接的第一脚线5和与第二螺母9同轴线相接的第二脚线8分别可用于连接外供电源。

由此构成的本发明的动压式高能合成射流激励器经试制试用被证明效果显著，达到了设计要求。该动压式高能合成射流激励器试用记录记载，当激励器工作时，依靠外部高速来流的动压，压缩动压进口10附近的流体，产生局部高压。在动压增填阶段，依靠动压进口10附近的局部高压，使更多的流体以更快的速率进入激励器的腔体1内，增大腔体中的气体密度和压强；在能量沉积阶段，由于腔体1内气体压强的升高，电极间放电产生的热量具有更高的向气体内能的转化效率，使腔内气体的温度更高、压强更大，进而可在射流喷出阶段形成能量和频率更高的合成射流。而具备这种高能量、高频率合成射流的本发明除了可作为一种高能射流激励器使用，还可以作为一种可提供推力或姿态控制力的小型推力器使用。

Claims (3)

1.一种动压式高能合成射流激励器，具有壳体(3)，其特征在于，所述壳体(3)的上底面开有一个动压进口(10)和一个射流出口(2)，所述壳体(3)的内腔(1)内轴向一端设有带第一脚线(5)的阳极(6)；该内腔(1)内轴向设置阳极(6)一端的另一端设有带第二脚线(8)的阴极(7)，所述第一脚线(5)同轴线置于所述阳极(6)的外侧；所述第二脚线(8)亦同轴线置于所述阴极(7)的外侧，所述阳极(6)外侧的第一脚线(5)上同轴线装有可通过旋转带动阳极(6)在所述内腔(1)内沿轴线自由往复滑动的第一螺母(4)；同样，所述阴极(7)外侧的第二脚线(8)上同轴线装有可通过旋转带动阴极(7)在所述内腔(1)内沿轴线自由往复滑动的第二螺母(9)。

2.根据权利要求1所述的动压式高能合成射流激励器，其特征在于，所述射流出口(2)是圆孔形或收缩式喷管形或收缩-扩张式拉法尔喷管形。

3.根据权利要求1所述的动压式高能合成射流激励器，其特征在于，所述动压进口(10)是埋入式椭圆形或凸起式椭圆形或直通型椭圆形或收缩型椭圆形。

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