CN112067237B - 基于等离子体的高超声速风洞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于等离子体的高超声速风洞，用以解决现有技术中风洞无法兼具高马赫数和长工作时间的问题。所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源、中性化室、中性化气体流道、试验段、扩压器、真空舱、真空泵组，还包括设置在等离子体束源、中性化室之间的粒子回旋共振加速器；通过中性化室结合等离子束源及粒子回旋共振加速器获得试验用定向的中性气体束流，利用风洞流道改变中性气体束流的基本参数，符合风洞试验需求，试验后的中性气体通过扩压器减速增压，流入真空舱进行工质收集。本发明获得用于风洞试验的马赫数大于10的高超声速气流，有效工作时间大于1min，且对环境无污染。

Description

基于等离子体的高超声速风洞

技术领域

本发明属于等离子体风洞领域，具体涉及一种基于等离子体的高超声速风洞。

背景技术

高超声速风洞指风洞试验段气流马赫数在5以上的风洞，在航空航天领域至关重要。传统的高超声速风洞，主要有暂冲式风洞、激波管风洞、燃烧风洞、电弧风洞等。其中，暂冲式风洞利用高压气体通过拉伐尔喷管形成高速气流，由于工作原理的限制，暂冲式风洞的工作时间极短。激波管风洞是利用两级激波管形成高压气体，再通过拉法尔喷管加速至高超声速，激波管风洞可以达到更高的风速，但是工作时间短，一般工作时间为几毫秒到几十毫秒之间。燃烧风洞或电弧风洞在激波管风洞的基础上演化而成，利用燃烧或者电弧增加激波管内气体的内能，这些风洞的工作时间稍长，但也很难达到100毫秒；同时，燃烧风洞的组分存在污染问题，电弧风洞存在马赫数小的问题，严重制约了地面试验的有效性。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种基于等离子体的高超声速风洞，利用粒子回旋共振对层流等离子体束源的等离子体进行加速，再利用高速等离子体及中性化室得到高速的中性化气体，从而获得高超声速风洞，所述风洞具有高马赫数，同时兼具长工作时间，且对环境无污染。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种基于等离子体的高超声速风洞，所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源1、中性化室3、中性气体流道4、试验段5、扩压器6、真空舱7、真空泵组8；其中，

所述等离子体束源1用于提供等离子体束流；

所述中性化室3内具有定向中性气体束流及定向磁场，用于使等离子体束流定向移动并与中性气体束流进行能量交换，获得试验用定向中性气体束流；

所述中性气体流道4连通所述中性化室3和试验段5，用于为所述试验用定向中性气体束流提供运输通道；

所述试验段5为风洞洞体部分，用于为高超声速气动试验提供气动实验场所；

所述扩压器6连通所述试验段5和真空舱7，用于使试验后的中性气体束流减速增压；

所述真空舱7用于回收工质；

所述真空泵组8用于对真空舱7抽真空，为所述高超声速风洞提供低压环境。

上述方案中，所述高超声速风洞在等离子体束源1后、中性化室3前还包括粒子回旋共振加速器2。

上述方案中，所述等离子体束流在进入粒子回旋共振加速器前的速度为1.5～2.5km/s；经过粒子回旋共振加速器加速后，等离子体速度为3～7km/s。

上述方案中，所述粒子回旋共振加速器2包括射频线圈21和平行磁场22；等离子体束流进入粒子回旋共振加速器，利用射频线圈21供电产生粒子回旋共振加速，加速后的等离子体中电子和离子在平行磁场22中沿着磁场运动，保持带电粒子的磁矩守恒。

上述方案中，等离子体束源1和粒子回旋共振加速器2构成二级粒子加速器；所述粒子回旋共振加速器2可以为一级或多级，完成对等离子束流的加速过程。

上述方案中，所述等离子体束源1为层流等离子体束源，提供层流等离子体束流。

上述方案中，所述层流等离子体束源是50kW的层流等离子体发生器。

上述方案中，所述中性化气体流道4为渐阔型或直管型。

上述方案中，所述扩压器6包括首尾相连的渐缩管和渐阔管，渐缩管完成试验后中性气体的增压，渐阔管完成试验后中性气体的减速。

上述方案中，所述中性化室3气体压力为1～300Pa；所述真空舱7内的气体压力为1～300Pa。

本发明具有如下有益效果：

本发明采用中性化室结合等离子束源获得用于风洞试验的定向中性气体束流，利用风洞流道改变中性气体束流的基本参数，符合试验需求，试验后的中性气体通过扩压器减速增压，流入真空舱进行收集，节约能源及工质。本发明的高超声速风洞，在试验段高超声速气流马赫数大于10，有效工作时间大于1min，且对环境无任何污染，同时实现能源的节约利用。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施方式中基于等离子体的高超声速风洞结构示意图；

图2为本发明实施方式中粒子回旋共振加速器对层流等离子体加速原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种基于等离子体的高超声速风洞，利用层流等离子体束源提高等离子体，通过粒子回旋共振加速器对等离子体进行加速，再采用中性化室获得试验用定向中性气体束流，使所获得高超声速风洞具有10马赫的风速，同时工作时间不低于1min，且对环境无染污。

图1示出了本发明实施方式中基于等离子体的高超声速风洞结构。如图1所示，所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源1、中性化室3、中性气体流道4、试验段5、扩压器6、真空舱7、真空泵组8。各个部件间的连接角度根据实际需要进行调整，并无具体限制。

其中，所述等离子体束源1提供等离子体束流。优选地，所述等离子体束源1为层流等离子体束源，提供层流等离子体束流。层流等离子体束源是一种工质广谱、等离子体束流密度和截面面积大以及速度均匀的高效等离子体束源，起到初始电离和产生层流等离子体束流的作用。所述层流等离子体束源的工作原理是：在等离子体放电室内，阴极与阳极之间通过直流电源建立起直流电场；从发生器尾部通入的工作气体(如氮气、氧气、氩气或其他种类的混合气体)在阴极尖端放电，产生电子和离子；离子在电场的加速作用下向阴极运动，轰击阴极产生阴极材料的二次电子逸出；逸出的二次电子在电场的加速下获得动能，电子的动能达到电离气体的阈值，以维持稳定的等离子体放电；放电等离子体通过碰撞加热放电室内的气体，气体膨胀速度增加，在电场中形成高速定向的等离子体束流。优选地，本实施方式中选用50kW的层流等离子体发生器作为层流等离子体束源，产生的等离子体束流定向速度为1.5～2.5km/s，温度为3eV。

作为本实施方式的一个优选实施例，所述高超声速风洞在等离子体束源1后、中性化室3前还包括粒子回旋共振加速器2。

等离子体束源1提供的定向等离子体束流进入粒子回旋共振加速器2中。所述粒子回旋共振加速器2将功率耦合给等离子体，能够在粒子回旋共振加速器2的喷口处提供更高的粒子喷射速度。所述粒子回旋共振加速器2采用超导强磁发生器作为约束磁场，通过耦合天线对来自等离子体束源的定向等离子体束流进行加速。

优选地，本实施方式中，所述粒子回旋共振加速器2具备有效的粒子加速能力，采用无极耦合方式，满足大功率射频功率注入，有效提高粒子能量，同时采用水冷天线结构，满足长时间运行的需求。

具体地，如图2所示，所述粒子回旋共振加速器2包括射频线圈21和平行磁场22。高速等离子体流入粒子回旋共振加速器，利用射频线圈21供电形成粒子回旋共振，使等离子体加速。粒子回旋共振加速器具有平行于束流方向的单端磁镜磁场22，等离子体中的电子和离子在单端磁镜磁场22中沿着磁场运动，保持带电粒子的磁矩守恒。同时采用射频共振提高功率耦合，进行共振加速，能够提供更高的粒子喷射速度。采用超导强磁发生器作为约束磁场，通过耦合天线对前级等离子体束流进行加速，可以将等离子体束流的定向速度提高到3～7km/s。

等离子体束源1和粒子回旋共振加速器2构成二级粒子加速器。这里的粒子回旋共振加速器2本身可以为一级或多级，当为多级时，构成多级粒子加速器，完成对等离子束流的加速过程。最后一级粒子回旋共振加速器2与中性化室连接，将高速定向的等离子体喷入中性化室中。

所述中性化室3内具有中性气体束流及定向磁场，用于使等离子体束流定向移动并与中性气体束流进行能量交换，获得试验用定向中性气体束流。在中性化室3中，高速离子与中性气体粒子碰撞，通过共振电荷交换的方式产生高速定向中性气体束流。等离子体吞噬器是中性化室3的组成部分。优选地，所述中性化室气体压力为1～300Pa。

所述中性气体流道4连通所述中性化室3和试验段5，用于为所述试验用中性气体束流提供运输通道，同时也用于对中性气体束流进行参数调整。中性气体束流经过中性气体流道4进入试验段。所述中性气体流道4根据需求设计不同的型线，例如，设计成渐阔型，进一步对中性气体束流加速，或者，设计成直管型，对中性气体束流适当减速，进而得到符合试验段要求的气体束流。

所述试验段5为风洞洞体部分，为高超声速气动试验提供气动实验场所。优选地，所述试验段还可以包括测量控制系统，用于为气动实验提供参数检测、实时控制。

所述扩压器6包括首尾相连的渐缩管和渐阔管。中性气体束流经过试验段5完成试验后进入扩压器6中，还处于超声速，通过扩压器6会使试验气体减速，中性气体束流的动能转化为静压能。优选地，所述扩压器6为拉法尔喷管。

所述真空舱7连通所述扩压器6和真空泵组8，所述真空舱7用于回收工质；所述真空泵组8用于对真空舱7抽真空，并通过组件间的连通，为所述高超声速风洞提供低压环境，从而为整套系统提供动力。试验后的中性气体束流通过扩压器减速增压后，流入真空舱7，进行工质回收。优选地，还可以在真空舱7中设置保护装置，减少试验段出来的中性气体束流的冲击影响。优选地，所述真空舱7内的气压为1～300Pa；所述真空泵组8采用罗茨-螺杆干泵真空机组，得到清洁无油的真空环境。

由以上可以看出，本发明实施方式基于等离子体的高超声速风洞，采用层流等离子体束源产生电离态的中性气体即等离子体，并使其具有一定的初始速度(1.5～2.5km/s)；该等离子体束流进入粒子回旋共振加速器中，在强磁场约束的“磁冻结”效应下，粒子被磁场约束，同时经历共振加热过程，外加功率通过粒子共振频率将能量传递给气体分子，使其能量获得极大提高，束流速度进一步提升，达到3～7km/s，该过程是增加马赫数的关键。采用电磁加速过程，不会带来污染问题。经由前级的加速过程，束流仍处于等离子体状态，等离子体流入中性化室，得到高速中性气流。中性气流通过风洞流道流入试验段进行试验。风洞流道根据不同需求采用不同的型线可以改变风洞的风速，使其进一步加速或适当减速。试验段后的气体通过扩压器减速增压，然后流入真空舱进行收集。真空舱配有真空机组，来保持其真空度。所述高超声速风洞中的中性气体风速达到10马赫及以上，且有效工作时间超过1min。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述高超声速风洞，试验段高超声速气流由定向中性气体束流产生,所述风洞包括依次连接的等离子体束源（1）、粒子回旋共振加速器（2）、中性化室（3）、中性气体流道（4）、试验段（5）、扩压器（6）、真空舱（7）、真空泵组（8）；所述高超声速风洞中的中性气体风速达到10马赫及以上，且有效工作时间超过1min；其中，

所述等离子体束源（1）用于提供等离子体束流；所述等离子体束源（1）为层流等离子体束源，提供层流等离子体束流；

所述粒子回旋共振加速器（2）包括射频线圈（21）和平行磁场（22）；等离子体束流进入粒子回旋共振加速器，利用射频线圈（21）供电产生粒子回旋共振加速，加速后的等离子体中电子和离子在平行磁场（22）中沿着磁场运动，保持带电粒子的磁矩守恒；所述等离子体束流在进入粒子回旋共振加速器前的速度为1.5～2.5km/s;经过粒子回旋共振加速器加速后，等离子体速度为3～7km/s；

所述中性化室（3）内具有定向中性气体束流及定向磁场，用于使等离子体束流定向移动并与中性气体束流进行能量交换，通过共振电荷交换的方式产生高速定向中性气体束流，获得试验用定向中性气体束流；等离子体吞噬器是中性化室（3）的组成部分；

所述中性气体流道（4）连通所述中性化室（3）和试验段（5），用于为所述试验用定向中性气体束流提供运输通道；

所述试验段（5）为风洞洞体部分，用于为高超声速气动试验提供气动实验场所；

所述扩压器（6）连通所述试验段（5）和真空舱（7），用于使试验后的中性气体束流减速增压；

所述真空舱（7）用于回收工质；

所述真空泵组（8）用于对真空舱（7）抽真空，为所述高超声速风洞提供低压环境。

2.根据权利要求1所述的基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，等离子体束源（1）和粒子回旋共振加速器（2）构成二级粒子加速器。

3.根据权利要求1所述的基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述层流等离子体束源是50kW的层流等离子体发生器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述中性气体流道（4）为渐阔型或直管型。

5.根据权利要求1至3任一项所述的基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述扩压器（6）包括首尾相连的渐缩管和渐阔管，渐缩管完成试验后中性气体的增压，渐阔管完成试验后中性气体的减速。

6.根据权利要求1至3任一项所述的基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述中性化室（3）气体压力为1～300Pa；所述真空舱（7）内的气体压力为1～300Pa。

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