CN112298535A - 一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法 - Google Patents

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吕彬彬
谢翔
何彬华
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Abstract

本发明公开了一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，属于抑制飞行器的翼型抖振的方法技术领域。本发明的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面上的激波‑边界层干扰区域进行非定常扰动；能够减弱激波强度、抑制边界层分离、增大抖振边界，达到实现抑制翼型抖振的目的。

Description

一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，属于抑制飞行器的翼型抖振的方法技术领域。
背景技术
飞行器(如飞机)在跨声速飞行时，由于翼型的上翼面的激波-边界层干扰，使得翼型的上翼面结构将出现抖振现象；其中，激波-边界层干扰指的是激波与边界层之间发生的相互作用。抖振会影响飞机乘坐的舒适性以及翼型结构的疲劳寿命，严重时甚至导致结构破坏，引发飞行失控等事故。
典型抖振的激波-边界层干扰区域和尾迹区域相互耦合；可通过对激波-边界层干扰区域和尾迹区域进行扰动、减小干扰区分离尺度、减弱激波的强度和非定常性、减小激波振荡区域和推迟激波位置等特性，实现扩大抖振边界的目的。
传统的抖振抑制方法主要是采用被动控制的方式。例如，在翼型上翼面的激波振荡区域的两侧开槽、导流等形式来减弱激波振荡，还有在翼型上翼面上装配涡流发生器或鼓包进行抖振抑制。随着MEMS技术的发展，微型射流、尾缘偏转等主动控制方式也用于抖振抑制。
但是传统的抖振抑制方法具有一些不足之处，比如被动控制方式的有效扰动范围有限，综合抑制效果低；而主动控制方式的结构复杂、大量破坏翼面外形，需要引入气源，并且稳定性较低，难以满足工程需求，特别是抖振涉及到复杂激波边界层干扰问题。可以看出，传统的抖振抑制方法在实施过程中会带来一些弊端。因此，亟需提出一种全新的抑制翼型抖振的方法。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，能够减弱激波强度、抑制边界层分离、增大抖振边界，实现抑制翼型抖振的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动，用以减弱激波强度、抑制边界层分离、增大抖振边界，实现抑制翼型抖振的目的。
本发明还介绍了如何具体的利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动。如下所述。
进一步的，沿翼型的翼展方向上，通过在翼型上翼面上装配的多个激励模块来产生脉冲电弧等离子体，相邻的所述激励模块之间具有间距，且所述激励模块位于翼型上翼面的激波振荡区域的上游侧。对于“激励模块位于翼型上翼面的激波振荡区域的上游侧”的设计而言，换而言之，激励模块位于翼型前缘与翼型上翼面上的激波振荡区域之间。以便于脉冲电弧等离子体对翼型上翼面上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动。
进一步的，每个所述激励模块包括装配于翼型上翼面的耐高温绝缘基体、以及装配于所述耐高温绝缘基体上且具有间距的第一电极、第二电极；每个所述激励模块的第一电极、第二电极之间产生脉冲电弧等离子体。采用本设计时，每个激励模块的第一电极、第二电极之间产生脉冲电弧等离子体；而相邻的激励模块之间并不产生脉冲电弧等离子体。
优选的，沿每个所述激励模块的第一电极、第二电极之间的连线与所述翼型的翼展方向基本平行。能够提高翼型抖振的抑制效果。
优选的，相邻的所述激励模块之间的中心距L为50mm～100mm；在每个所述激励模块中，所述第一电极与第二电极之间的中心距b为4mm～7mm，所述第一电极、第二电极的直径d为0.5mm～2mm。作为本发明相关尺寸的优选设计，能够提高翼型抖振的抑制效果。
进一步的，所述第一电极、第二电极分别镶嵌固定于所述耐高温绝缘基体内，且所述第一电极、第二电极的顶面与所述耐高温绝缘基体的顶面吻合；所述耐高温绝缘基体镶嵌固定于所述翼型内，且所述耐高温绝缘基体的顶面与所述翼型上翼面吻合。采用本设计时，即激励模块与翼型上翼面吻合，当激励模块装配于翼型上后，能够恢复翼型的原始外形，不在翼型上翼面上形成凸起物，基本不影响翼型的机械性能、气动性能。
进一步的，所述第一电极、第二电极分别通过耐高温胶固定于所述耐高温绝缘基体内；所述耐高温绝缘基体通过耐高温胶固定于所述翼型内。
进一步的，所有的激励模块通过导线依次相串联后与纳秒高压脉冲电源电连接，且每个所述激励模块的第一电极、第二电极之间不通过导线电连接，用以产生脉冲电弧等离子体；所述导线布置于所述翼型的内部。为了使本领域技术人员对本设计能够深入的理解，在此对本设计进行阐述说明。“所有的激励模块通过导线依次相串联后与纳秒高压脉冲电源电连接，且每个所述激励模块的第一电极、第二电极之间不通过导线电连接”的连接方式指的是：设激励模块有n个(即，激励模块有多个)；第1个激励模块的第二电极与第2个激励模块的第一电极通过导线相连；第2个激励模块的第二电极与第3个激励模块的第一电极通过导线相连；第3个激励模块的第二电极与第4个激励模块的第一电极通过导线相连；以此类推，第n-1个激励模块的第二电极与第n个激励模块的第一电极通过导线相连；然后，第1个激励模块的第一电极以及第n个激励模块的第二电极分别通过导线与纳秒高压脉冲电源电连接；而每个激励模块的第一电极、第二电极之间不通过导线电连接。启动纳秒高压脉冲电源时将产生高压放电现象；各个激励模块的第一电极、第二电极之间的空气将被击穿产生脉冲电弧等离子体。高压放电具有性能稳定的特点，能够适应于在飞行器上的长时间工作。
进一步的，通过操控所述纳秒高压脉冲电源来调节脉冲电弧等离子体的参数用以适应来流的马赫数。当飞行器在跨声速飞行的不同工况下，来流的马赫数将会有所不同。通过纳秒高压脉冲电源能够调节脉冲电弧等离子体的参数，以适应相应的来流的马赫数，确保翼型抖振的抑制效果，适应性和实用性更强。
进一步的，脉冲电弧等离子体的参数为：脉冲波为矩形波，其上升沿、下降沿为50ns～100ns，脉冲电压为5KV～20KV，脉冲频率为0.5KHz～2KHz，脉冲宽度为5μs～10μs。本发明是利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动来实现对翼型抖振抑制。因此，脉冲电弧等离子体的参数是非常关键的，特别是体现在脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度上。由于激波抖振的频率大概为0.1KHz～0.5KHz；因此，脉冲频率为0.5KHZ以上的高频放电，能够对流场产生有效的扰动，从而能够更加有效的实现脉冲电弧等离子体对翼型上翼面的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动。脉冲频率、脉冲宽度将直接影响对流场的扰动特性；经研究表明，较大的脉冲频率能够实现较好的扰动效果，但是增大脉冲频率将会加大对能源的消耗，并且当脉冲频率增大到一定程度时，扰动抑制效果并不会进一步的有效增大；因此，作为优选，脉冲电弧等离子体的参数为：脉冲电压为5KV～20KV、脉冲频率为0.5KHz～2KHz(特别优选为1.5KHZ)、脉冲宽度为5μs～10μs；在如此的脉冲电弧等离子体的参数下，电弧放电(产生脉冲电弧等离子体)能够产生较大的能量密度，并且实现对流场的连续性扰动，扰动抑制效果与能源消耗的比值得到最大化。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，通过利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动，能够减弱激波强度、抑制边界层分离、增大抖振边界，达到实现抑制翼型抖振的目的。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法的原理示意图；
图2是沿翼型的翼展方向上，翼型上翼面装配有多个激励模块的结构示意图；
图3是所有的激励模块通过导线依次相串联后与纳秒高压脉冲电源电连接，且每个激励模块的第一电极、第二电极之间不通过导线电连接的结构示意图；
图4是激励模块的结构示意图。
图中标记：1-翼型，11-翼型上翼面,12-翼型前缘，2-激励模块，3-耐高温绝缘基体，41-第一电极,42-第二电极,5-导线，6-纳秒高压脉冲电源，7-耐高温胶。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面11上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动，用以减弱激波强度、抑制边界层分离、增大抖振边界，实现抑制翼型抖振的目的。
本发明还介绍了如何具体的利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面11的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动。如下所述。
进一步的，如图1至图4所示，沿翼型1的翼展方向上，通过在翼型上翼面11上装配的多个激励模块2来产生脉冲电弧等离子体，相邻的所述激励模块2之间具有间距，且所述激励模块2位于翼型上翼面11的激波振荡区域的上游侧。对于“激励模块2位于翼型上翼面11的激波振荡区域的上游侧”的设计而言，换而言之，激励模块2位于翼型前缘12与翼型上翼面11上的激波振荡区域之间。以便于脉冲电弧等离子体对翼型上翼面11上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动。
进一步的，如图3、图4所示，每个所述激励模块2包括装配于翼型上翼面11的耐高温绝缘基体3、以及装配于所述耐高温绝缘基体3上且具有间距的第一电极41、第二电极42；每个所述激励模块2的第一电极41、第二电极42之间产生脉冲电弧等离子体。采用本设计时，每个激励模块2的第一电极41、第二电极42之间产生脉冲电弧等离子体；而相邻的激励模块2之间并不产生脉冲电弧等离子体。优选的，所述第一电极41、第二电极42为钨电极。
优选的，如图1所示，沿每个所述激励模块的第一电极41、第二电极42之间的连线与所述翼型1的翼展方向基本平行。能够提高翼型抖振的抑制效果。当然，每个所述激励模块的第一电极41、第二电极42之间的连线与所述翼型1的翼展方向基本垂直的技术方案也是可行的。
优选的，如图2所示，相邻的所述激励模块之间的中心距L为50mm～100mm；在每个所述激励模块2中，所述第一电极与第二电极之间的中心距b为4mm～7mm，所述第一电极、第二电极的直径d为0.5mm～2mm。作为本发明相关尺寸的优选设计，能够提高翼型抖振的抑制效果。特别是第一电极与第二电极之间的中心距b尤其的关键，第一电极41、第二电极42之间放电特性受来流静压的影响，中心距b过小会减小非定常扰动区域；中心距b过大又会形成辉光放电，能量密度减小，非定常扰动效果衰减。激励模块的耐高温绝缘基体3主要是起到载体和绝缘的作用，因此，在实际制造过程中，耐高温绝缘基体3的尺寸满以足绝缘与装配需求为原则。耐高温绝缘基体3的宽度略宽于大于上述直径d；耐高温绝缘基体3的长度略大于上述中心距b+直径d。比如耐高温绝缘基体3的宽度为d+2mm左右；耐高温绝缘基体3的宽度为b+d+2mm左右。因此，激励模块2的量级大致在10mm左右；体积非常的小，并且结构简单，容易制造，易于设计为通用件的结构形式。优选的，所述激励模块的中心距翼型前缘的间距c为50mm～100mm。
进一步的，如图1至图4所示，所述第一电极41、第二电极42分别镶嵌固定于所述耐高温绝缘基体3内，且所述第一电极41、第二电极42的顶面与所述耐高温绝缘基体3的顶面吻合；所述耐高温绝缘基体3镶嵌固定于所述翼型1内，且所述耐高温绝缘基体3的顶面与所述翼型上翼面11吻合。采用本设计时，即激励模块2与翼型上翼面11吻合，当激励模块2装配于翼型1上后，能够恢复翼型1的原始外形，不在翼型上翼面11上形成凸起物，基本不影响翼型1的机械性能、气动性能。
进一步的，如图1至图4所示，所述第一电极41、第二电极42分别通过耐高温胶7固定于所述耐高温绝缘基体3内；所述耐高温绝缘基体3通过耐高温胶7固定于所述翼型1内。
进一步的，如图2、图3所示，所有的激励模块2通过导线5依次相串联后与纳秒高压脉冲电源电连接，且每个所述激励模块2的第一电极41、第二电极42之间不通过导线电连接，用以产生脉冲电弧等离子体；所述导线5布置于所述翼型1的内部。为了使本领域技术人员对本设计能够深入的理解，在此对本设计进行阐述说明。“所有的激励模块2通过导线5依次相串联后与纳秒高压脉冲电源电连接，且每个所述激励模块2的第一电极41、第二电极42之间不通过导线电连接”的连接方式指的是：本实施例以激励模块2有4个为例加以说明；如图2、图3所示，第1个激励模块2的第二电极42与第2个激励模块2的第一电极41通过导线5相连；第2个激励模块2的第二电极42与第3个激励模块2的第一电极41通过导线5相连；第3个激励模块2的第二电极42与第4个激励模块2的第一电极41通过导线5相连；第1个激励模块2的第一电极41以及第4个激励模块2的第二电极42分别通过导线5与纳秒高压脉冲电源电连接；而每个激励模块2的第一电极41、第二电极42之间不通过导线电连接。启动纳秒高压脉冲电源时将产生高压放电现象；各个激励模块2的第一电极41、第二电极42之间的空气将被击穿产生脉冲电弧等离子体。高压放电具有性能稳定的特点，能够适应于在飞行器上的长时间工作。
进一步的，通过操控所述纳秒高压脉冲电源来调节脉冲电弧等离子体的参数用以适应来流的马赫数。当飞行器在跨声速飞行的不同工况下，来流的马赫数将会有所不同。通过纳秒高压脉冲电源能够调节脉冲电弧等离子体的参数，以适应相应的来流的马赫数，确保翼型抖振的抑制效果，适应性和实用性更强。优选的，纳秒高压脉冲电源的负载为50pF～80pF。
进一步的，脉冲电弧等离子体的参数为：脉冲波为矩形波，其上升沿、下降沿为50ns～100ns，脉冲电压为5KV～20KV，脉冲频率为0.5KHz～2KHz，脉冲宽度为5μs～10μs。本发明是利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动来实现对翼型抖振抑制。因此，脉冲电弧等离子体的参数是非常关键的，特别是体现在脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度上。由于激波抖振的频率大概为0.1KHz～0.5KHz；因此，脉冲频率为0.5KHZ以上的高频放电，能够对流场产生有效的扰动，从而能够更加有效的实现脉冲电弧等离子体对翼型上翼面11的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动。脉冲频率、脉冲宽度将直接影响对流场的扰动特性；经研究表明，较大的脉冲频率能够实现较好的扰动效果，但是增大脉冲频率将会加大对能源的消耗，并且当脉冲频率增大到一定程度时，扰动抑制效果并不会进一步的有效增大；因此，作为优选，脉冲电弧等离子体的参数为：脉冲电压为5KV～20KV、脉冲频率为0.5KHz～2KHz(特别优选为1.5KHZ)、脉冲宽度为5μs～10μs；在如此的脉冲电弧等离子体的参数下，电弧放电(产生脉冲电弧等离子体)能够产生较大的能量密度，并且实现对流场的连续性扰动，扰动抑制效果与能源消耗的比值得到最大化。
基于上述技术特征的组合设计下，为了更加便于本领域技术人员的理解，在此将本发明原理再加以阐述。假设马赫数为0.75，启动纳秒高压脉冲电源时，所有的第一电极41、第二电极42将瞬间放电产生高温高压，各个激励模块2的第一电极41、第二电极42之间的将产生脉冲电弧等离子体；脉冲电弧等离子体及其周边具有极高的温度，此处将之命名为热团。在产生脉冲电弧等离子体的瞬间，在每个激励模块2中，将以第一电极41、第二电极42为圆心以及第一电极41、第二电极42的连线为起始点，产生冲击波，并向四周传播，但冲击波由于流体的粘性很快减弱直至消失。与此同时，热团迅速膨胀，形成类似“发卡涡”结构；并在来流的作用下，热团将朝翼型上翼面的下游运动，同时携带了大量内能的热团继续膨胀，使得“发卡涡”结构逐渐的破裂。在整个过程中，冲击波、热团将与位于翼型上翼面的下游的激波-边界层干扰区产生相互作用；尤其是呈“发卡涡”结构的热团的运动加强了分离区、边界层与来流的能量掺混。热团携带的大量内能也迅速的补充了分离区，从而减小了分离区附近的逆压梯度，最终使得分离区尺度减小(即，抑制了边界层分离)，激波强度减弱，并增大了抖振边界，实现抑制翼型抖振的目的。并且本发明的方法，是一种开拓性的翼型抖振抑制的主动控制方式，脉冲电弧等离子体能量沉积主动流动控制具有响应快、频带宽、能耗低等的优点，激励模块通过导线依次相串联后与纳秒高压脉冲电源电连接，因此操作控制非常方便，容易集成到飞行器的飞行系统中，实施起来非常的容易。
综上所述，采用本发明的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，通过利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动，能够减弱激波强度、抑制边界层分离、增大抖振边界，达到实现抑制翼型抖振的目的。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：利用脉冲电弧等离子体对翼型上翼面(11)上的激波-边界层干扰区域进行非定常扰动，用以减弱激波强度、抑制边界层分离、增大抖振边界，实现抑制翼型抖振的目的。
2.如权利要求1所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：沿翼型(1)的翼展方向上，通过在翼型上翼面(11)装配的多个激励模块(2)来产生脉冲电弧等离子体，相邻的所述激励模块(2)之间具有间距，且所述激励模块(2)位于翼型上翼面(11)的激波振荡区域的上游侧。
3.如权利要求2所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：每个所述激励模块(2)包括装配于翼型上翼面(11)的耐高温绝缘基体(3)、以及装配于所述耐高温绝缘基体(3)上且具有间距的第一电极(41)、第二电极(42)；每个所述激励模块(2)的第一电极(41)、第二电极(42)之间产生脉冲电弧等离子体。
4.如权利要求3所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：每个所述激励模块的第一电极(41)、第二电极(42)之间的连线与所述翼型(1)的翼展方向基本平行。
5.如权利要求3所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：相邻的所述激励模块之间的中心距L为50mm～100mm；在每个所述激励模块(2)中，所述第一电极与第二电极之间的中心距b为4mm～7mm，所述第一电极、第二电极的直径d为0.5mm～2mm。
6.如权利要求3所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：所述第一电极(41)、第二电极(42)分别镶嵌固定于所述耐高温绝缘基体(3)内，且所述第一电极(41)、第二电极(42)的顶面与所述耐高温绝缘基体(3)的顶面吻合；所述耐高温绝缘基体(3)镶嵌固定于所述翼型(1)内，且所述耐高温绝缘基体(3)的顶面与所述翼型上翼面(11)吻合。
7.如权利要求6所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：所述第一电极(41)、第二电极(42)分别通过耐高温胶(7)固定于所述耐高温绝缘基体(3)内；所述耐高温绝缘基体(3)通过耐高温胶(7)固定于所述翼型(1)内。
8.如权利要求3所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：所有的激励模块(2)通过导线(5)依次相串联后与纳秒高压脉冲电源电连接，且每个所述激励模块(2)的第一电极(41)、第二电极(42)之间不通过导线电连接，用以产生脉冲电弧等离子体；所述导线(5)布置于所述翼型(1)的内部。
9.如权利要求8所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：通过操控所述纳秒高压脉冲电源来调节脉冲电弧等离子体的参数用以适应来流的马赫数。
10.如权利要求1-9所述的一种脉冲电弧等离子体能量沉积抑制翼型抖振的方法，其特征在于：脉冲电弧等离子体的参数为：脉冲电压为5KV～20KV，脉冲频率为0.5KHz～2KHz，脉冲宽度为5μs～10μs。
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