CN113316301A - 一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，包括有绝缘壳体，绝缘壳体的相对两端分别设置有装置进气口及装置排气口，装置进气口及装置排气口分别与绝缘壳体的内部腔体连通，外界气体可由装置进气口进入流经绝缘壳体的内部腔体后从装置排气口流出；绝缘壳体的内部腔体由若干个按照线性排列的依次连通的第一空腔组成，每个第一空腔的内壁上均设置有一个离子体激励器，装置进气口的内壁设置有两个离子体激励器，装置排气口的内壁设置有两个离子体激励器。该装置，能够降低机翼表面摩擦阻力。

Description

一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置

技术领域

本发明属于等离子体主动流动控制技术领域，具体涉及一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置。

背景技术

目前基于等离子体气动激励原理的减阻装置大多是在机翼或平板上表面沿来流方向或垂直于来流方向布置一系列的等离子体激励器阵列。通过减少机翼表面单位展长面积内大尺度旋涡相干结构的低速条带数目，抑制流向涡的自维持循环过程，抑制湍流猝发过程发展，降低湍流猝发强度和频率，延迟表面流动的层流状态，从而达到湍流减阻的效果。但是对于毫秒脉冲等离子体激励器，诱导射流速度普遍较低，很难产生的明显的湍流相干结构抑制效果；纳秒脉冲等离子体激励可以瞬时产生较强的冲击波，能量较强，但是经常会使层流转捩变成湍流，无法起到维持层流流动状态，减小飞行器阻力的作用效果。

合成射流等离子体激励器是目前应用于机翼减阻的一项新型技术，其可以在机翼表面形成“吸-吹”的交替作用过程。吸气过程中可以去除机翼表面能量较弱的流动，有利于飞行器表面层流状态的维持；吹气过程有望干扰旋涡相干结构的低速条带数目，抑制湍流猝发强度。但是高频率“吸-吹”作用过程之间的不断切换，反而可能会加剧机翼表面流动的不稳定性，整体减阻效果不如单纯吸气或吹气过程的减阻效果。目前，为了阻止吸气装置在工作过程中由于工作条件不断变化，而造成气流的流动方向发生逆流，吸气装置大多采用瓣膜、滚珠弹簧与电磁控制的单向导通机构。目前传统的单向导通机构都无法解决结构复杂、灵敏度低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，能够降低机翼表面摩擦阻力。

本发明所采用的技术方案是，一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，包括有绝缘壳体，绝缘壳体的相对两端分别设置有装置进气口及装置排气口，装置进气口及装置排气口分别与绝缘壳体的内部腔体连通，外界气体可由装置进气口进入流经绝缘壳体的内部腔体后从装置排气口流出；绝缘壳体的内部腔体由若干个按照线性排列的依次连通的第一空腔组成，每个第一空腔的内壁上均设置有一个离子体激励器，装置进气口的内壁设置有两个离子体激励器，装置排气口的内壁设置有两个离子体激励器。

本发明的特征还在于，

第一空腔的剖面为扇形，扇形的尖端收口处设置有出气口，扇形的弧线与侧边连接处设置有进气口，相邻的两个第一空腔中靠近装置进气口的第一空腔的出气口与另一个第一空腔的进气口连通；第一空腔的平直内壁面上设置有一个离子体激励器，该离子体激励器远离出气口及进气口；装置进气口与靠近其设置的第一空腔的进气口连通，装置排气口与靠近其设置的第一空腔的出气口连通。

离子体激励器包括等离子体激励器绝缘介质层，等离子体激励器绝缘介质层的相对侧壁上分别设置有等离子激励器正电极及等离子激励器负电极，离子体激励器的等离子激励器正电极朝向气流设置，等离子激励器负电极嵌入到绝缘壳体腔体的内壁内。

等离子激励器正电极为铜电极，厚度为0.03mm～5mm；等离子激励器负电极为铜电极，厚度为0.03mm～5mm，等离子体激励器绝缘介质层的材质为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，厚度为1mm～50mm。

等离子激励器正电极接负直流脉冲高电压，其压峰值电压为负3000伏～负10000伏，负直流脉冲周期0.1ms～5ms；等离子激励器负电极接地。

等离子激励器正电极及等离子激励器负电极的形状为条带状或环状。

绝缘壳体的材质为聚四氟乙烯。

第一空腔的数量为2-5个。

本发明的有益效果是：

(1)本发明吸气装置采用负直流脉冲放电，可以产生瞬时较强的冲击波，控制效果强、能耗低。

(2)本发明通过合理布置激励器位置、适当调整激励器工作时机、科学设置腔体几何形状，使等离子体激励器的工作效率达到最佳，且有效阻止气流的反向流动。

(3)本发明吸气装置是通过去除机翼上表面附面层内低能量气体，防止发生因低能流体速度降低，阻碍后续流动，从而引起流动分离现象，通过吸气增大层流区域而达到减阻目的。

附图说明

图1是本发明一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置的剖面结构示意图；

图2是本发明单向导通等离子体吸气装置防回流的工作原理示意图；

图3是本发明单向导通等离子体吸气装置中离子体激励器的结构示意图；

图4是本发明单向导通等离子体吸气装置安装在机翼上后，机翼剖面处的安装位置示意图；

图5是本发明单向导通等离子体吸气装置安装在机翼上后，工作原理示意图。

图中，1.绝缘壳体，2.第一空腔，3.装置进气口，4.装置排气口，5.离子体激励器；

2-1.出气口，2-2.进气口；

5-1.等离子体激励器绝缘介质层，5-2.等离子激励器正电极，5-3.等离子激励器负电极；

A.单向导通等离子体吸气装置，B.气流导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，如图1所示，包括有绝缘壳体1，绝缘壳体1的相对两端分别设置有装置进气口3及装置排气口4，装置进气口3及装置排气口4分别与绝缘壳体1的内部腔体连通，外界气体可由装置进气口3进入流经绝缘壳体1的内部腔体后从装置排气口4流出；绝缘壳体1的内部腔体由若干个按照线性排列的依次连通的第一空腔2组成，每个第一空腔2的内壁上均设置有一个离子体激励器5，装置进气口3的内壁设置有两个离子体激励器5，这个两个离子体激励器5相对设置；装置排气口4的内壁设置有两个离子体激励器5，这两个离子体激励器5相对设置。

第一空腔2的剖面为扇形，扇形的尖端收口处设置有出气口2-1，扇形的弧线与侧边连接处设置有进气口2-2，相邻的两个第一空腔2中靠近装置进气口3的第一空腔2的出气口2-1与另一个第一空腔2的进气口2-2连通；第一空腔2的平直内壁面上设置有一个离子体激励器5，该离子体激励器5远离出气口2-1及进气口2-2；装置进气口3与靠近其设置的第一空腔2的进气口2-2连通，装置排气口4与靠近其设置的第一空腔2的出气口2-1连通。

离子体激励器5包括等离子体激励器绝缘介质层5-1，等离子体激励器绝缘介质层5-1的相对侧壁上分别设置有等离子激励器正电极5-2及等离子激励器负电极5-3，离子体激励器5的等离子激励器正电极5-2朝向气流设置，等离子激励器负电极5-3嵌入到绝缘壳体1腔体的内壁内。

等离子激励器正电极5-2为铜电极，厚度为0.03mm～5mm；等离子激励器负电极5-3为铜电极，厚度为0.03mm～5mm，等离子体激励器绝缘介质层5-1的材质为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，厚度为1mm～50mm。

等离子激励器正电极5-2接负直流脉冲高电压，其压峰值电压为负3000伏～负10000伏，负直流脉冲周期0.1ms～5ms；等离子激励器负电极5-3接地。

等离子激励器正电极5-2及等离子激励器负电极5-3的形状为条带状或环状。

绝缘壳体1的材质为聚四氟乙烯，形状为四棱柱体、多棱柱体或圆柱体。

第一空腔2的数量为2-5个。

该单向导通等离子体吸气装置的工作原理为：

如图3所示，给等离子体吸气装置施加高电压时，等离子激励器正电极5-2与等离子激励器负电极5-3之间发生放电，进而产生由等离子激励器正电极5-2向等离子激励器负电极5-3方向的等离子放电与冲击波，并伴随气体加热效应，此时激励器放电侧面的气流产生由等离子激励器正电极5-2向等离子激励器负电极5-3方向的流动力矩，引导气流向该方向流动。

如图1所示，装置进气口3与装置排气口4之间具有三个第一空腔2，当装置进气口3外的气流受装置进气口3处设置的两个等离子体激励器5的影响进入装置腔体后，将向下继续运动至第一个第一腔体2中并沿不同路径继续向下运动，其中一部分沿第一腔体2曲面内壁向下运动的气流在其内壁设置的等离子体激励器5的加速与第一腔体2内热膨胀效果的共同作用下与沿第一个第一腔体2平直内壁的气流进行混合，以较高的速度进入第二个第一腔体5，该第一腔体5内的气动作用原理与前一个第一腔体2相同，同理气体依次经过第三个第一腔体2排出后继续经装置排气口4处设置的两个离子体激励器5的加速作用后，通过装置排气口4排出装置。此时装置腔体内气压变低，机翼表面压力高于腔体内空气压力，由于存在压力差，机翼表面空气会向腔体内流动。

防回流设计：如图2所示，单向导通等离子体吸气装置A工作过程中，如果装置排气口4处外界压力大于装置进气口3处外界压力，则气体由装置排气口4进入装置内部腔体。首先气流受到装置排气口4处两个离子体激励器5的减速作用，使其速度降低，继续进入相邻的第一个第一腔体2后，气流将沿不同路径向上流动，经该第一腔体2曲面内表面流动的气流首先受到其内壁设置的等离子体激励器5减速作用下沿曲面流动的过程中逐渐改变流动方向为向下，进而与沿该第一腔体2平直表面流动的气流相遇并产生涡流，阻止气流的进一步流动。部分经减速的气流进入下一个相邻的第二个第一腔体2及第三个第一腔体2，这两个腔体内内部气流受到的减速与阻滞作用与第一个第一腔体2内气流受到的作用相同，最终完全消除气流向上流动的趋势，达到阻止回流的目的。

如图4所示，该单向导通等离子体吸气装置A竖直嵌入到机翼上表面下方，装置进气口3与外界大气连通，装置排气口4通过气流导管B与外界大气连通；如图5所示，由于绝缘壳体的腔体内等离子体激励器以较高频率持续向腔体内部产生冲击波和诱导气流，不断的从装置排气口4喷出气体。机翼上表面会不断向腔体内吸入能量较低的气流。通过机翼上竖直嵌入的多个单向导通等离子体吸气装置A的合理阵列式排布，即可将机翼上表面大范围区域或关键部位处能量较弱的空气吸入绝缘壳体的腔体内，减少机翼表面单位展长内旋涡相干结构低速条带数目，阻碍湍流猝发过程的发展，降低湍流猝发强度，提高边界层稳定性，使机翼表面流动尽量保持层流状态，从而实现机翼表面抑制流动分离的效果，达到改善机翼表面流动特性的目标。

该单向导通等离子体吸气装置可采用模块化设计，便于形成阵列，大面积安装在机翼或飞行器关键区域。

利用该单向导通等离子体吸气装置将机翼表面能量较弱的气流消除，保持机翼表面流动的层流状态。这种吸气方法可以消除机翼表面因附面层阻滞作用而产生的低能流动，减少因其回流而导致的气流分离，进而达到抑制流动分离、消除翼尖失速、降低飞行阻力的目标。

该单向导通等离子体吸气装置区别于现有的层流控制装置，并具有如下优势：一是无需从发动机系统引气即可通过吸除低能空气的方法去除附面层迟滞空气。二是完全贴合机翼表面，不会破坏机翼表面气动外形，不会增加空气阻力，也不会产生额外的飞行干扰力矩。三是该部件结构简单、灵活小巧，适用于目前所有固定翼及具有升力面的飞行器。四是模块化设计，该装置可单独使用，也可以根据需求，组合拼接成任意形状，形成工作阵列，并可对重点区域或大面积机翼部分进行优化升级。五是没有机械元件，电力触发，频率响应速度快、能耗较低，可靠性高。六是重量轻、成本低、维护相对简单、寿命长，相对于其他解决方案大大降低了系统重量，并提升了可靠性。七是可控性高，通过阵列区域控制技术，可对组合形态的装置，进行集群智能控制，可根据实际减阻需求，分工况、分时段、分区域激活不同的减阻区域，实时根据机翼气流运动情况和飞行状态，实时调整减阻系统的工作模式。

Claims (8)

1.一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，包括有绝缘壳体(1)，绝缘壳体(1)的相对两端分别设置有装置进气口(3)及装置排气口(4)，装置进气口(3)及装置排气口(4)分别与绝缘壳体(1)的内部腔体连通，外界气体可由装置进气口(3)进入流经绝缘壳体(1)的内部腔体后从装置排气口(4)流出；绝缘壳体(1)的内部腔体由若干个按照线性排列的依次连通的第一空腔(2)组成，每个第一空腔(2)的内壁上均设置有一个离子体激励器(5)，装置进气口(3)的内壁设置有两个离子体激励器(5)，装置排气口(4)的内壁设置有两个离子体激励器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，所述第一空腔(2)的剖面为扇形，扇形的尖端收口处设置有出气口(2-1)，扇形的弧线与侧边连接处设置有进气口(2-2)，相邻的两个第一空腔(2)中靠近装置进气口(3)的第一空腔(2)的出气口(2-1)与另一个第一空腔(2)的进气口(2-2)连通；第一空腔(2)的平直内壁面上设置有一个离子体激励器(5)，该离子体激励器(5)远离出气口(2-1)及进气口(2-2)；装置进气口(3)与靠近其设置的第一空腔(2)的进气口(2-2)连通，装置排气口(4)与靠近其设置的第一空腔(2)的出气口(2-1)连通。

3.根据权利要求2所述的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，所述离子体激励器(5)包括等离子体激励器绝缘介质层(5-1)，等离子体激励器绝缘介质层(5-1)的相对侧壁上分别设置有等离子激励器正电极(5-2)及等离子激励器负电极(5-3)，离子体激励器(5)的等离子激励器正电极(5-2)朝向气流设置，等离子激励器负电极(5-3)嵌入到绝缘壳体(1)腔体的内壁内。

4.根据权利要求3所述的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，所述等离子激励器正电极(5-2)为铜电极，厚度为0.03mm～5mm；等离子激励器负电极(5-3)为铜电极，厚度为0.03mm～5mm，等离子体激励器绝缘介质层(5-1)的材质为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，厚度为1mm～50mm。

5.根据权利要求3所述的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，所述等离子激励器正电极(5-2)接负直流脉冲高电压，其压峰值电压为负3000伏～负10000伏，负直流脉冲周期0.1ms～5ms；所述等离子激励器负电极(5-3)接地。

6.根据权利要求3所述的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，所述等离子激励器正电极(5-2)及等离子激励器负电极(5-3)的形状为条带状或环状。

7.根据权利要求1所述的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，所述绝缘壳体(1)的材质为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求1所述的一种可用于机翼减阻的单向导通等离子体吸气装置，其特征在于，所述第一空腔(2)的数量为2-5个。

Images