CN106050593A - 基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置，直流源负极接地，直流源正极与充电电阻一端连，充电电阻另一端连多个充电二极管正极，多个充电二极管负极连多个充电电容一端，多个充电电容另一端与多个放电二极管正极连，多个等离子体合成射流激励器并联在充电二极管负极和放电二极管负极上，两个放电二极管间设一放电电阻，放电二极管负极接地，等离子体合成射流激励器地电极接地，负载两端并联在第一个放电二极管正极和最后一个放电二极管负极上。本发明的有益效果：多个等离子体合成射流激励器串联同步放电的同时，在负载两端形成多路叠加脉冲，可在高速流场控制领域实现多角度、大范围的流动控制，同时可作高压放电实验研究。

Description

基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置

技术领域

本发明涉及航天飞行器流动控制领域和高电压技术领域，具体而言，涉及一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置，在实现多个激励器串联放电的同时产生多路高压脉冲。

背景技术

等离子体合成射流作为一种新型的流动控制技术，因其没有运动部件，响应速度快等优势，在超音速流动控制方面有着具大的应用前景。其产生的高速射流可以抑制流动分离，控制附面层从而改善飞行器的飞行性能。

为了达到更好的流动控制效果，需要产生长时间大范围的高速合成射流。目前的研究主要针对改善激励器的外观结构或提高放电激励源的输出参数。公开号为CN105299001 A的专利提出了一种用于散热的多孔合成射流激励器，扩大了激励器的散热面积，避免了因压载过大而引起的振动膜失效问题。但射流喷出范围较小，无法形成大范围的流动控制。公开号为CN 102943751B的专利发明了一种快响应直接力产生装置，设计了一种三电极放电装置，可根据需要调整脉冲射流频率和射流能量，为高速飞行器快速响应提供了一种新的产生方式。其放电仍没有摆脱单个激励器放电范畴。公开号为CN 105119517 A的专利研制了多个等离子体合成射流激励器同步放电的高压脉冲电源，其可以实现三个激励器并联同步放电，且同步性良好。但放电能量较低，电源结构复杂。综上所述，目前的等离子体合成射流放电仍以单个激励器放电为主，多路激励器同步放电方案较少，并且放电结构复杂。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置，可实现多个激励器串联放电，适用于飞行器的大范围流动控制，改善飞行器的飞行性能，该装置在实现串联放电的同时，也产生了多路高压脉冲，可作为脉冲发生器使用。

本发明提供了一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置，包括直流源、充电电阻、多个充电二极管、多个充电电容、多个等离子体合成射流激励器、多个放电二极管、多个放电电阻和负载，其中，所述等离子体合成射流激励器为两电极等离子体合成射流激励器，所述负载为放电负载；

其中，

所述直流源的负极接地，所述直流源的正极与所述充电电阻的一端连接，所述充电电阻的另一端连接第一充电二极管、第二充电二极管、…、第n充电二极管的正极，所述第一充电二极管、所述第二充电二极管、…、所述第n充电二极管的负极分别连接第一充电电容、第二充电电容、…、第n充电电容的一端，所述第一充电电容、所述第二充电电容、…、所述第n充电电容的另一端分别与第一放电二极管、第二放电二极管、…、第n放电二极管的正极连接，第一等离子体合成射流激励器的两极并联在所述第一充电二极管的负极和第一放电二极管的负极上，第二等离子体合成射流激励器的两极并联在所述第二充电二极管的负极和所述第二放电二极管的负极上，…、第n等离子体合成射流激励器的两极并联在所述第n充电二极管的负极和所述第n放电二极管的负极上，第一放电电阻的两端与所述第一放电二极管的负极和所述第二放电二极管的正极连接、…、第n-1放电电阻的两端与所述第二放电二极管的负极和所述第n放电二极管的正极连接，所述第n放电二极管的负极接地，所述第n等离子体合成射流激励器的地电极接地，所述负载的两端并联在所述第一放电二极管的正极和所述第n放电二极管的负极上。

作为本发明进一步的改进，所述等离子体合成射流激励器为圆柱形结构，包括高压电极、地电极、激励器腔体和堵盖，所述高压电极和所述地电极对称插入所述激励器腔体的中部，所述激励器腔体的顶部设有所述堵盖，所述堵盖上设有小孔，所述堵盖的直径与所述激励器腔体的直径相同，所述高压电极接高压端，所述地电极接低压端。

作为本发明进一步的改进，

所述高压电极和所述地电极均为直径是1mm的钨针电极。

作为本发明进一步的改进，所述高压电极和所述地电极之间的间距为1～4mm。

作为本发明进一步的改进，所述激励器腔体的体积为450cm³，所述堵盖的厚度为2mm，所述小孔的孔径为1～3mm。

作为本发明进一步的改进，所述激励器腔体和所述堵盖采用氮化硼材料。

作为本发明进一步的改进，多个所述充电电容的电容值相同。

作为本发明进一步的改进，所述充电电容的电容值为0.5μF-1μF。

本发明还提供了一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置的放电方法，该方法包括：

步骤1，调整每个所述等离子体合成射流激励器的两个电极的间距，并使两个电极的间距保持一致；

步骤2，增加所述直流源的输出电压，多个所述充电电容经过所述充电电阻后实现并联充电，此时，多个所述充电电容的电容值相同；

步骤3，当所述充电电容上的电压达到所述等离子体合成射流激励器的击穿电压时，多个所述等离子体合成射流激励器同步击穿，形成大电流的火花放电，同时产生多路高速的等离子体合成射流；

步骤4，多个所述充电电容、多个所述等离子体合成射流激励器和多个所述放电电阻形成串联放电回路，实现多个所述等离子体合成射流激励器的串联同步放电，并在第一个所述充电电容的两端形成多路叠加脉冲，叠加脉冲的高压通过所述放电电阻对所述负载进行放电。

本发明的有益效果为：

1、可实现了多个等离子体合成射流激励器串联放电，同时，可以在后级形成叠加高压脉冲，可接不同类型的负载作为高压脉冲发生器使用；

2、由于等离子体合成射流激励器击穿后为大电容的直接短路放电，其放电电流很大，放电能量很高，可以实现高速度的等离子体合成射流，进而实现对周围流场有效的干扰和控制；

3、多个等离子体合成射流激励器的串联放电大大增强了流场控制范围，可以实现多路高速度的等离子体合成射流，实现了大能量、多角度、宽范围的高速流场控制；

4、整套装置构造简单，控制效果良好，具有很高的实际应用价值；

5、可通过改变直流源的充电电压研究不同击穿电压下的放电实验，通过改变充电电容的电容值，改变电容上存储的能量，从而改变等离子体合成射流激励器的放电电流与放电持续时间，形成更高速的合成射流。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置结构示意图；

图2为图1中等离子体合成射流激励器的结构示意图；

图3为多个等离子体合成射流激励器串联放电等效图；

图4为图1中以三路激励器串联为例的结构示意图。

图中，

1、直流源；2、充电电阻；3、第一充电二极管；4、第二充电二极管；5、第n充电二极管；6、第一充电电容；7、第二充电电容；8、第n充电电容；9、第一等离子体合成射流激励器；10、第二等离子体合成射流激励器；11、第n等离子体合成射流激励器；12、第一放电二极管；13、第二放电二极管；14、第n放电二极管；15、第一放电电阻；16、第n-1放电电阻；17、负载；18、高压电极；19、低压电极；20、激励器腔体；21、堵盖；22、小孔。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置，包括直流源1、充电电阻2(R₁)、多个充电二极管(D_1a、D_2a、…、D_na)、多个充电电容(C₁、C₂、…、C_n)、多个等离子体合成射流激励器(A₁、A₂、…、A_n)、多个放电二极管(D_1b、D_2b、…、D_nb)、多个放电电阻(R₂、…、R_n)和负载17，其中，等离子体合成射流激励器为两电极等离子体合成射流激励器，负载17可为高压领域其他类型放电负载。直流源的负极接地，直流源的正极与充电电阻的一端连接，充电电阻的另一端连接多个充电二极管的正极，多个充电二极管的负极分别连接多个充电电容一端，多个充电电容的另一端分别与多个放电二极管的正极连接，多个等离子体合成射流激励器并联在充电二极管的负极和放电二极管负极两端，两个放电二极管之间设置一个放电电阻，放电二极管的负极接地，等离子体合成射流激励器的地电极接地，负载的两端并联在第一个放电二极管的正极和最后一个放电二极管的负极上。

具体的，直流源1的负极接地，直流源1的正极与充电电阻2(R₁)的一端连接，充电电阻2(R₁)的另一端连接第一充电二极管3(D_1a)、第二充电二极管4(D_2a)、…、第n充电二极管5(D_na)的正极，第一充电二极管3(D_1a)、第二充电二极管4(D_2a)、…、第n充电二极管5(D_na)的负极分别连接第一充电电容6(C₁)、第二充电电容7(C₂)、…、第n充电电容8(C_n)的一端，第一充电电容6(C₁)、第二充电电容7(C₂)、…、第n充电电容8(C₃)的另一端分别与第一放电二极管12(D_1b)、第二放电二极管13(D_2b)、…、第n放电二极管14(D_nb)的正极连接，第一等离子体合成射流激励器9(A₁)的两极并联在第一充电二极管3(D_1a)的负极和第一放电二极管12(D_1b)的负极上，第二等离子体合成射流激励器10(A₂)的两极并联在第二充电二极管4(D_2a)的负极和第二放电二极管13(D_2b)的负极上，…、第n等离子体合成射流激励器11(A_n)的两极并联在第n充电二极管5(D_na)的负极和第n放电二极管14(D_nb)的负极上，第一放电电阻15(R₂)的两端与第一放电二极管12(D_1b)的负极和第二放电二极管13(D_2b)的正极连接、…、第n-1放电电阻16(R_n)的两端与第二放电二极管13(D_2b)的负极和第n放电二极管14(D_nb)的正极连接，第n放电二极管14(D_nb)的负极接地，第n等离子体合成射流激励器11(A_n)的地电极接地，负载17的两端并联在第一放电二极管12(D_1b)的正极和第n放电二极管14(D_nb)的负极上。

其中，如图2所示，等离子体合成射流激励器为圆柱形结构，包括高压电极18、地电极19、激励器腔体20和堵盖21，高压电极18和地电极19对称插入激励器腔体20的中部，激励器腔体20的顶部设有堵盖21，堵盖21上设有小孔22，堵盖21的直径与激励器腔体20的直径相同，高压电极18接高压端，地电极19接低压端。高压电极18和地电极19均为直径是1mm的钨针电极。高压电极18和地电极19之间的间距可调，为1～4mm，不同的间距对应不同的击穿电压。激励器腔体20的体积为450cm³，堵盖21的厚度为2mm，小孔22的孔径可调，为1～3mm，不同的孔径对射流的喷出有影响。激励器腔体20和堵盖21采用氮化硼材料。通过高压电极和低压电极的火花击穿放电加热激励器腔体，形成激励器腔体内外的温度与压力差，从而将激励器腔体内的气体从小孔中顶出，形成高速的射流，从而对周围流场进行有效的控制。待一次放电之后，腔内温度下降，气体回填，准备下一次的放电。

直流源1经充电电阻2(R₁)，第一充电二极管3(D_1a)、第二充电二极管4(D_2a)、…、第n充电二极管5(D_na)分别对第一充电电容6(C₁)、第二充电电容7(C₂)、…、第n充电电容8(C_n)充电，n个充电电容上的充电电压相等，均等于直流源1的输出电压U，充电电阻2(R₁)起限制充电电流的作用，充电二极管是防止充电电容的反向充电。n个等离子体合成射流激励器分别并联在n个充电电容两端，当充电电容上的电压达到等离子体合成射流激励器当前条件下电极的击穿电压时，n个等离子体合成射流激励器同步击穿，形成火花放电，由于充电电容上的电压不可突变，放电装置上形成A_n-C_n-R_n…A₂-C₂-R₂-A₁-C₁的串联放电回路，进而实现了多个等离子体合成射流激励器的串联同步放电，并在第一充电电容6(C₁)两端形成了-nU的叠加脉冲，叠加脉冲高压可通过第一放电电阻15(R₂)和第n-1放电电阻16(R_n)对负载17进行放电，输出后级也可作高压放电实验使用。串联放电的等效图如图3所示。其中，第一放电二极管12(D_1b)、第二放电二极管13(D_2b)、…、第n放电二极管14(D_nb)是为了防止放电回路的反向导通。

n个充电电容的电容值相同，充电电容的电容值为0.5μF-1μF。

实施例2，本发明还提供了一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置的放电方法，该方法包括：

步骤1，调整每个等离子体合成射流激励器的两个电极的间距，并使n个等离子体合成射流激励器的电极间距保持一致。

步骤2，增加直流源1的输出电压U，n个充电电容经过充电电阻R₁(2)后实现并联充电，此时，n个充电电容的电容值相同。

步骤3，当充电电容上的电压达到等离子体合成射流激励器的击穿电压时，n个等离子体合成射流激励器同步击穿，形成大电流的火花放电，同时产生n路高速的等离子体合成射流。

步骤4，n个充电电容、n个等离子体合成射流激励器和n-1个放电电阻形成串联放电回路A_n-C_n-R_n…A₂-C₂-R₂-A₁-C₁，实现n个等离子体合成射流激励器的串联同步放电，并在第一个充电电容6(C₁)的两端形成n路叠加脉冲，叠加脉冲的高压通过放电电阻对负载17进行放电。

具体使用时，如图4所示，以三路等离子体合成射流激励器的串联结构为例。本发明的基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置，包括直流源、充电电阻R₁、三个充电二极管D_1a、D_2a、D_3a、三个充电电容C₁、C₂、C₃、三个等离子体合成射流激励器A₁、A₂、A₃、三个放电二极管D_1b、D_2b、D_3b、两个放电电阻R₂、R₃和负载17，其中，等离子体合成射流激励器为两电极等离子体合成射流激励器。

直流源1的负极接地，直流源的正极与充电电阻R₁的一端连接，充电电阻R₁的另一端连接第一充电二极管D_1a、第二充电二极管D_2a、第三充电二极管D_3a的正极，第一充电二极管D_1a、第二充电二极管D_2a、第三充电二极管D_3a的负极分别连接第一充电电容C₁、第二充电电容C₂、第三充电电容C₃的一端，第一充电电容C₁、第二充电电容C₂、第三充电电容C₃的另一端分别与第一放电二极管D_1b、第二放电二极管D_2b、第三放电二极管D_3b的正极连接，第一等离子体合成射流激励器A₁的两极并联在第一充电二极管D_1a的负极和第一放电二极管D_1b的负极上，第二等离子体合成射流激励器A₂的两极并联在第二充电二极管D_2a的负极和第二放电二极管D_2b的负极上，第三等离子体合成射流激励器A₃的两极并联在第三充电二极管D_3a的负极和第三放电二极管D_3b的负极上，第一放电电阻R₂的两端与第一放电二极管D_1b的负极和第二放电二极管D_2b的正极连接，第二放电电阻R₃的两端与第二放电二极管D_2b的负极和第三放电二极管D_3b的正极连接，第三放电二极管D_3b的负极接地，第三等离子体合成射流激励器A₃的地电极接地，负载17的两端并联在第一放电二极管D_1b的正极和第三放电二极管D_3b的负极上。

直流源经充电电阻R₁，第一充电二极管D_1a、第二充电二极管D_2a、第三充电二极管D_3a分别对第一充电电容C₁、第二充电电容C₂、第三充电电容C₃充电，三个充电电容上的充电电压相等，均等于直流源的输出电压U，三个等离子体合成射流激励器分别并联在三个充电电容两端，当充电电容上的电压达到等离子体合成射流激励器当前条件下电极的击穿电压时，三个等离子体合成射流激励器同步击穿，形成火花放电，由于充电电容上的电压不可突变，放电装置上形成A₃-C₃-R₃-A₂-C₂-R₂-A₁-C₁的串联放电回路，进而实现了三个等离子体合成射流激励器的串联同步放电，并在第一充电电容C₁两端形成了-3U的叠加脉冲，叠加脉冲高压可通过第一放电电阻R₂和第二放电电阻R₃对负载17进行放电。

本发明中的等离子体合成射流激励器的电极间距可调，充电电容的大小可换，可利用此放电装置产生不同速度与推力的合成射流。在使用该装置时，可依据实际需要对放电能量等参数进行调整，以满足不同的放电需求，后级产生的高压脉冲也可作其他放电实验研究。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，包括直流源(1)、充电电阻(2)、多个充电二极管、多个充电电容、多个等离子体合成射流激励器、多个放电二极管、多个放电电阻和负载(17)，其中，所述等离子体合成射流激励器为两电极等离子体合成射流激励器，所述负载(17)为放电负载；

其中，

所述直流源(1)的负极接地，所述直流源(1)的正极与所述充电电阻(2)的一端连接，所述充电电阻(2)的另一端连接第一充电二极管(3)、第二充电二极管(4)、…、第n充电二极管(5)的正极，所述第一充电二极管(3)、所述第二充电二极管(4)、…、所述第n充电二极管(5)的负极分别连接第一充电电容(6)、第二充电电容(7)、…、第n充电电容(8)的一端，所述第一充电电容(6)、所述第二充电电容(7)、…、所述第n充电电容(8)的另一端分别与第一放电二极管(12)、第二放电二极管(13)、…、第n放电二极管(14)的正极连接，第一等离子体合成射流激励器(9)的两极并联在所述第一充电二极管(3)的负极和第一放电二极管(12)的负极上，第二等离子体合成射流激励器(10)的两极并联在所述第二充电二极管(4)的负极和所述第二放电二极管(13)的负极上，…、第n等离子体合成射流激励器(11)的两极并联在所述第n充电二极管(5)的负极和所述第n放电二极管(14)的负极上，第一放电电阻(15)的两端与所述第一放电二极管(12)的负极和所述第二放电二极管(13)的正极连接、…、第n-1放电电阻(16)的两端与所述第二放电二极管(13)的负极和所述第n放电二极管(14)的正极连接，所述第n放电二极管(14)的负极接地，所述第n等离子体合成射流激励器(11)的地电极接地，所述负载(17)的两端并联在所述第一放电二极管(12)的正极和所述第n放电二极管(14)的负极上。

2.根据权利要求1所述的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，所述等离子体合成射流激励器为圆柱形结构，包括高压电极(18)、地电极(19)、激励器腔体(20)和堵盖(21)，所述高压电极(18)和所述地电极(19)对称插入所述激励器腔体(20)的中部，所述激励器腔体(20)的顶部设有所述堵盖(21)，所述堵盖(21)上设有小孔(22)，所述堵盖(21)的直径与所述激励器腔体(20)的直径相同，所述高压电极(18)接高压端，所述地电极(19)接低压端。

3.根据权利要求2所述的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，所述高压电极(18)和所述地电极(19)均为直径是1mm的钨针电极。

4.根据权利要求2所述的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，所述高压电极(18)和所述地电极(19)之间的间距为1～4mm。

5.根据权利要求2所述的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，所述激励器腔体(20)的体积为450cm³，所述堵盖(21)的厚度为2mm，所述小孔(22)的孔径为1～3mm。

6.根据权利要求2所述的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，所述激励器腔体(20)和所述堵盖(21)采用氮化硼材料。

7.根据权利要求1所述的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，多个所述充电电容的电容值相同。

8.根据权利要求6所述的等离子体合成射流串联放电装置，其特征在于，所述充电电容的电容值为0.5μF-1μF。

9.一种如权利要求1所述的基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置的放电方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，调整每个所述等离子体合成射流激励器的两个电极的间距，并使两个电极的间距保持一致；

步骤2，增加所述直流源(1)的输出电压，多个所述充电电容经过所述充电电阻(2)后实现并联充电，此时，多个所述充电电容的电容值相同；

步骤3，当所述充电电容上的电压达到所述等离子体合成射流激励器的击穿电压时，多个所述等离子体合成射流激励器同步击穿，形成大电流的火花放电，同时产生多路高速的等离子体合成射流；

步骤4，多个所述充电电容、多个所述等离子体合成射流激励器和多个所述放电电阻形成串联放电回路，实现多个所述等离子体合成射流激励器的串联同步放电，并在第一个所述充电电容的两端形成多路叠加脉冲，叠加脉冲的高压通过所述放电电阻对所述负载(17)进行放电。