CN108116664B - 基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统，包括等离子体合成射流激励器、外壁面压力传感器、腔内压力传感器、电脑、高压电源、高压气源和气流阀门。技术特征在于：根据外流场情况，自适应调节等离子体合成射流激励器的激励效能。本发明应用范围广、响应速度快、可以更好地挖掘出等离子体合成射流激励器的激励效能，实现对外流场最优的主动流动控制。

Description

基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，是一种控制外流场气流流向的自适应、高效的射流系统，该系统属于空气动力学主动流动控制技术领域。

背景技术

结合局部电弧丝放电等离子体激励器和合成射流激励器的优点，美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室于2003年提出了等离子体合成射流激励器。该激励器具有结构简单，响应迅速，参数方便调节，气动激励强等优点。它的一个激励周期可以分为能量沉积阶段、射流喷出阶段和吸气复原阶段。前两个阶段时间仅有几十微妙，最后一个阶段占据了一个激励周期中的绝大部分时间。在常压、低速流场中，激励器的流动控制表现十分优越。但是在高速流动中，流动控制需要的激励频率增加(kHz量级)，激励器的吸气复原时间便显得过长，易发生“拥塞”现象，造成激励器工作时会出现不定期“哑火”的情况，影响整体的流动控制效果。此外，能量沉积后，激励器电极之间产生的电弧放电，使激励器腔内气体骤升。随着激励次数的增多，受到热传导的影响，激励器本体以及腔内残余气体的温度也会很高，使得激励后期，激励器腔内气压升高。这导致紧靠负压吸气的激励器，单次的吸气量不断减少，造成激励后期激励器的激励强度明显不足，无法达到流动控制要求。最后，在高空应用时，周围气体稀薄，虽然电极之间更容易放电，但单次喷出的射流质量流量过低，气动激励强度不足以满足主动流动控制的要求。因此，在高频、低压、长时间激励的情况下，等离子体合成射流激励器会出现无法正常工作的情况，并且其产生的气动激励无法满足主动流动控制的要求。

发明内容

针对现有等离子体合成射流激励器存在的技术缺陷，本发明设计了一种基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统。该系统针对高频率、稀薄气体环境或者长时间激励等造成等离子体合成射流激励器无法正常工作或者激励效果减弱等情况，通过改变等离子体合成射流激励器工作的电参数信号，提供适当的外部气体补充，使等离子体合成射流激励器气动激励强度达到最优化，实现对飞行器外流场的主动流动控制效果。该系统与现有的主动流动控制技术相比，具有激励强度高、激励稳定、控制速域大(从低速到高超声速)、体积小、结构简单、激励参数易于调节、响应速度快、能耗低等等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统，其特征在于，所述控制系统包含对外流场和激励器腔体内压力测量的压力测量模块，对外流场进行主动流动控制的等离子体激励模块，以及补充射流气流来源的气源补充模块，该系统根据飞行器外部流场的压力变化特征，自适应调节激励器的工作状态，使激励器达到最优的主动流动控制效果。

该控制系统的压力测量模块包括表面压力传感器和腔内压力传感器7，表面压力传感器布置于激励器射流孔周围，腔内压力传感器布置于激励器腔体内部，该控制系统的等离子体激励模块包括高压电源和等离子体合成射流激励器，该控制系统的气源补充模块包括气流阀门和高压气源，高压电源与等离子体合成射流激励器阳极1和阴极4连接，气流阀门与激励器补充气体管道6连接。

一种基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

(1).电脑上位机通过安装布置在飞行器表面及激励器周围的表面压力传感器1，实时测量飞行器表面压力分布情况；

(2).电脑上位机通过表面压力传感器信号，得到飞行器现阶段整体的压力分布，判断飞行器外流场的流动情况，分析飞行器外流场现阶段是否需要主动流动控制；若不需要进行主动流动控制，则保持现状不变，继续维持对飞行器外流场压力的监测；若需要进行主动流动控制，则立刻采集等离子体合成射流激励器腔体内部压力传感器的压力信号，得到现阶段条件下，激励器腔体内部的压力状况；

(3).电脑上位机通过对飞行器表面以及等离子体合成射流激励器腔内压力传感器压力信号，分析等离子体合成射流激励器腔体是否需要外部气源进行补气，来实现激励器放电激励的最优化，若不需要补气，则电脑输出适合当前外流场主动流动控制适当的电参数信号(如放电电压、放电时间、激励周期、占空比等电参数信号)至高压电源，使等离子体合成射流激励器产生最优的气动激励；若需要补气，电脑上位机根据现阶段等离子体合成射流激励器阳极1和阴极4放电情况，控制气流阀门开放的大小，控制输送至等离子体合成射流激励器腔体内气流流量，保证高强度激励的顺利产生，同时电脑输出适合当前外流场主动流动控制适当的电参数信号至高压电源；

(4).高压电源利用电脑传输过来的电参数信号，在等离子体合成射流激励器阳极1和阴极4施加高压，使激励器两电极间电势差超过击穿空气的临近电压，电极间空气被击穿，形成高温电弧,高温电弧使腔体内部的温度骤升，造成腔内气体压力骤升,高压气体通过射流孔向外喷出，形成一股高速射流和一系列冲击波,这股高速射流和冲击波改变外流场激波形态，达到主动流动控制的效果激发等离子体合成射流激励器产生气动激励,整个系统利用这一气动激励，实现对飞行器外流场的主动流动控制；

(5).在激励控制的过程中，电脑上位机实时检测压力测量模块传输回来的压力信号，判断现阶段等离子体合成射流激励器气动激励是否合适，是否需要适当的加强或减弱气动激励，进而实现主动流动控制的最优化,若现阶段等离子体合成射流激励器气动激励合适，则保持现阶段激励器工作的各项参数不变(电参数及气流流量)；若是等离子体合成射流激励器气动激励不合适，则根据现阶段飞行器外表面压力状况，逐步调节现阶段激励器工作的各项参数，使等离子体合成射流激励器产生的气动激励满足当前流场情况下的主动流动控制要求。

(6).电脑上位机通过表面压力传感器传回的压力信号，实时分析飞行器外流场情况，判断是否需要继续保持等离子体合成射流激励器或者停止激励器工作。

本发明所述的基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统有益的效果是实现等离子体合成射流激励器气动激励的最优化，实时化以及实现提高飞行器飞行品质的提高。本发明具有的有益效果如下：

1.通过等离子体合成射流激励器腔体内部压力传感器，感应腔体内部气体压力的变化情况，进而决定是否对等离子体合成射流激励器进行气体补充；通过控制气流阀门开合的大小，精确补充气体的质量流量。这样可以有效地控制能量消耗，保证单次激励强度，实现等离子体合成射流激励器的最优操作；

2.在高频放电的情况下，通过工作周期与等离子体合成射流激励器最短正常工作周期(激励器不“哑火”)的比较，开放外部气体补充。避免了等离子体合成射流激励器“哑火”现象的发生，这样可以大幅度提高等离子体合成射流激励器的激励频率，拓宽了等离子体合成射流激励器主动流动控制的速域范围；

3.在长时间激励的情况下，外部补充的气体可以弥补腔内气体质量低的缺点，并且可以冷却腔内气体和等离子体合成射流激励器腔体，使等离子体合成射流激励器逐渐恢复到初始激励的条件，有效提高单次等离子体合成射流激励器的气动激励效能；

4.在稀薄气体中，外部补充的气体可以瞬间使等离子体合成射流激励器腔体环境恢复到激励工作的理想状态，解决了等离子体合成射流激励器在此条件下激励效能不足的问题。同时，也解决了在稀薄气体中，等离子体合成射流激励器单次激励射流质量流量小，难吸气复原的窘境；

5.等离子体合成射流激励器结构简单，易于批量生产；体积小巧，便于安装布置。并且系统通过集成信号反馈信息控制等离子体合成射流激励器的激励强度，即使外部流场不断变化，无需人为操作，也可快速实现该流场情况下的，最优的等离子体合成射流激励控制。

附图说明

图1为基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统原理框图；

图2为改良等离子体合成射流激励器示意图；

图3为改良等离子体合成射流激励器实图；

图4为改良等离子体合成射流激励器高速风洞实验装置图。

图中具体标号为：1.阳极；2.激励器顶盖；3.射流孔；4.阴极；5.激励器本体；6.补充气体管道；7.压力传感器；8.风洞观察窗；9.斜劈；10.激励器安装块。

具体实施方式

为了是本发明的目的、技术方案更加清楚，下面结合附图1-4对本发明作进一步阐述。

在本施以例中，参见图1所示，一种基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统，包括压力测量模块(表面压力传感器，腔内压力传感器7)、电脑、等离子体激励模块(高压电源，等离子体合成射流激励器(见图2))和气源补充模块(气流阀门，高压气源)。高压电源与等离子体合成射流激励器阳极1和阴极4连接，气流阀门与激励器补充气体管道 6连接。

由于等离子体合成射流激励器的激励第一步是电弧放电产生高温，因此其本体材料选择耐高温且绝缘的材料。兼顾易加工与可切削的需求，等离子体合成射流激励器本体材料选择为易加工的玻璃陶瓷。按照等离子体合成射流激励器的加工后的尺寸，利用3D打印的方法，加工等离子体合成射流激励器的安装装置，将激励器嵌套进去，之后安装在相应的部位。

压力采集模块负责飞行器表面以及等离子体合成射流激励器腔体内部的压力测量；电脑负责对采集来的压力信号进行分析以及控制激励器工作的参数设定；等离子体模块负责气动激励，实现对飞行器飞行外流场的主动流动；气源补充模块负责等离子体合成射流激励器腔体内部气体的补充。

压力采集模块采集的压力信号实时传输给电脑。电脑分析压力信号，同时输出激励器进行气动激励的适当控制参数，包括高压电源电参数信号和气流阀门开合大小信号。

等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统的具体实施流程如下：

1.飞行器的飞行状态实时变化，电脑通过安装布置在飞行器表面及激励器周围的表面压力传感器1，实时测量飞行器表面压力分布情况；

2.电脑通过整理传输回来的表面压力传感器信号，得到飞行器现阶段整体的压力分布，判断飞行器外流场的流动情况，分析飞行器外流场现阶段是否需要主动流动控制。若不需要进行主动流动控制，则保持现状不变，继续维持对飞行器外流场压力的监测。若需要进行主动流动控制，则立刻采集等离子体合成射流激励器腔体内部压力传感器的压力信号，得到现阶段条件下，激励器腔体内部的压力状况；

3.电脑通过对飞行器表面以及等离子体合成射流激励器腔内压力传感器压力信号，分析等离子体合成射流激励器腔体是否需要外部气源进行补气，来实现激励器放电激励的最优化。若不需要补气，则电脑输出适合当前外流场主动流动控制适当的电参数信号(如放电电压、放电时间、激励周期、占空比等电参数信号)至高压电源，使等离子体合成射流激励器产生最优的气动激励；若需要补气，电脑根据现阶段等离子体合成射流激励器阳极1和阴极4 放电情况，控制气流阀门开放的大小，控制输送至等离子体合成射流激励器腔体内气流流量，保证高强度激励的顺利产生。同时电脑输出适合当前外流场主动流动控制适当的电参数信号至高压电源；

4.高压电源利用电脑传输过来的电参数信号，在等离子体合成射流激励器阳极1和阴极4施加高压，使激励器两电极间电势差超过击穿空气的临近电压，电极间空气被击穿，形成高温电弧。高温电弧使腔体内部的温度骤升，造成腔内气体压力骤升。高压气体通过射流孔向外喷出，形成一股高速射流和一系列冲击波。这股高速射流和冲击波改变外流场激波形态，达到主动流动控制的效果激发等离子体合成射流激励器产生气动激励。整个系统利用这一气动激励，实现对飞行器外流场的主动流动控制；

5.在激励控制的过程中，电脑实时检测压力测量模块传输回来的压力信号，判断现阶段等离子体合成射流激励器气动激励是否合适，是否需要适当的加强或减弱气动激励，进而实现主动流动控制的最优化。若现阶段等离子体合成射流激励器气动激励合适，则保持现阶段激励器工作的各项参数不变(电参数及气流流量)；若是等离子体合成射流激励器气动激励不合适，则根据现阶段飞行器外表面压力状况，逐步调节现阶段激励器工作的各项参数，使等离子体合成射流激励器产生的气动激励满足当前流场情况下的主动流动控制要求。

6.电脑通过表面压力传感器传回的压力信号，实时分析飞行器外流场情况，判断是否需要继续保持等离子体合成射流激励器或者停止激励器工作。

了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明：

1.等离子体合成射流激励器产生强有力的气动激励是通过高压电源施加在阳极1和阴极4两端的高压，产生电弧放电实现的。由于等离子体合成射流激励器通过射流孔3与外界大气连通，不同的飞行高度，外界大气的气压、密度等等都不一样。为了使等离子体合成射流激励器产生的气动激励更高效、更强烈，有时需要对等离子体合成射流激励器腔体内部气体进行适当的气体补充。通过等离子体合成射流激励器腔体内部压力传感器，感应腔体内部气体压力的变化情况，进而决定是否对等离子体合成射流激励器进行气体补充；通过控制气流阀门开合的大小，精确补充气体的质量流量。这样可以有效地控制能量消耗，保证单次激励强度；

2.等离子体合成射流激励器放电频率范围很大，从几Hz到几kHz。但是等离子体合成射流激励器本身有自己固有的单次工作时间。在激励器高频激励的情况下，激励频率极有可能超过了等离子体合成射流激励器最大正常工作频率，这样会造成激励器发生“哑火”的现象。开放外部气体补充，可以避免等离子体合成射流激励器“哑火”现象的发生。这样可以大幅度拓宽了等离子体合成射流激励器的激励频率范围，同时也拓宽了等离子体合成射流激励器主动流动控制的速域范围；

3.针对飞行器外流场的主动流动控制时间或短或长。需要长时间主动流动控制的情况下，等离子体合成射流激励器腔体内部由于多次放电，腔体内部气体温度会很高，这造成腔体内部气体的密度大幅降低，影响产生激励的强度。外部补充的气体可以弥补腔内气体质量低的缺点，并且可以冷却腔内气体和等离子体合成射流激励器腔体，使等离子体合成射流激励器逐渐恢复到初始激励的条件，有效提高单次等离子体合成射流激励器的气动激励效能；

4.不同飞行器有自己的飞行高度。几千米的高空，大气十分稀薄。在稀薄气体中，等离子体合成射流激励器腔体内部气体质量也很低，单次激励产生的效果不一定会很理想。通过外部补充的气体可以瞬间使等离子体合成射流激励器腔体环境恢复到激励工作的理想状态，解决了等离子体合成射流激励器在此条件下激励效能不足的问题。同时，也解决了在稀薄气体中，等离子体合成射流激励器单次激励射流质量流量小，难吸气复原的窘境；

5.等离子体合成射流激励器结构简单、体积小巧，便于在飞行器表面任何位置安装。并且系统通过集成信号反馈信息控制等离子体合成射流激励器的激励强度，即使外部流场不断变化，无需人为操作，也可快速实现该流场情况下的，最优的等离子体合成射流激励控制。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于等离子体合成射流激励器的自适应激励控制系统的控制方法，所述控制系统包含对外流场和激励器腔体内压力测量的压力测量模块，对外流场进行主动流动控制的等离子体激励模块，以及补充射流气流来源的气源补充模块，该系统根据飞行器外部流场的压力变化特征，自适应调节激励器的工作状态，使激励器达到最优的主动流动控制效果，该控制系统的压力测量模块包括表面压力传感器和腔内压力传感器(7)，表面压力传感器布置于激励器射流孔周围，腔内压力传感器布置于激励器腔体内部，该控制系统的等离子体激励模块包括高压电源和等离子体合成射流激励器，该控制系统的气源补充模块包括气流阀门和高压气源，高压电源与等离子体合成射流激励器阳极(1)和阴极(4)连接，气流阀门与激励器补充气体管道(6)连接，其特征在于，包括如下具体步骤：

(1).电脑上位机通过安装布置在飞行器表面及激励器周围的表面压力传感器(1)，实时测量飞行器表面压力分布情况；

(2).电脑上位机通过表面压力传感器信号，得到飞行器现阶段整体的压力分布，判断飞行器外流场的流动情况，分析飞行器外流场现阶段是否需要主动流动控制；若不需要进行主动流动控制，则保持现状不变，继续维持对飞行器外流场压力的监测；若需要进行主动流动控制，则立刻采集等离子体合成射流激励器腔体内部压力传感器的压力信号，得到现阶段条件下，激励器腔体内部的压力状况；

(3).电脑上位机通过对飞行器表面以及等离子体合成射流激励器腔内压力传感器压力信号，分析等离子体合成射流激励器腔体是否需要外部气源进行补气，来实现激励器放电激励的最优化，若不需要补气，则电脑输出适合当前外流场主动流动控制适当的放电电压、放电时间、激励周期、占空比等电参数信号至高压电源，使等离子体合成射流激励器产生最优的气动激励；若需要补气，电脑上位机根据现阶段等离子体合成射流激励器阳极(1)和阴极(4)放电情况，控制气流阀门开放的大小，控制输送至等离子体合成射流激励器腔体内气流流量，保证高强度激励的顺利产生，同时电脑输出适合当前外流场主动流动控制适当的电参数信号至高压电源；

(4).高压电源利用电脑传输过来的电参数信号，在等离子体合成射流激励器阳极(1)和阴极(4)施加高压，使激励器两电极间电势差超过击穿空气的临近电压，电极间空气被击穿，形成高温电弧,高温电弧使腔体内部的温度骤升，造成腔内气体压力骤升,高压气体通过射流孔向外喷出，形成一股高速射流和一系列冲击波,这股高速射流和冲击波改变外流场激波形态，达到主动流动控制的效果激发等离子体合成射流激励器产生气动激励,整个系统利用这一气动激励，实现对飞行器外流场的主动流动控制；

(5).在激励控制的过程中，电脑上位机实时检测压力测量模块传输回来的压力信号，判断现阶段等离子体合成射流激励器气动激励是否合适，是否需要适当的加强或减弱气动激励，进而实现主动流动控制的最优化,若现阶段等离子体合成射流激励器气动激励合适，则保持现阶段激励器工作的电参数及气流流量不变；若是等离子体合成射流激励器气动激励不合适，则根据现阶段飞行器外表面压力状况，逐步调节现阶段激励器工作的各项参数，使等离子体合成射流激励器产生的气动激励满足当前流场情况下的主动流动控制要求；

(6).电脑上位机通过表面压力传感器传回的压力信号，实时分析飞行器外流场情况，判断是否需要继续保持等离子体合成射流激励器或者停止激励器工作。

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