CN113423168A - 一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，主要包括激励器壳体、阴极放电电极、阳极放电电极与磁场发生装置，激励器壳体内设有放电腔，激励器壳体上设有与所述放电腔相通的射流出口，阴极放电电极、阳极放电电极分别插入放电腔；所述磁场发生装置激发产生磁场，所述磁场覆盖所述射流出口外的部分区域。在射流出口及出口外一定区域内施加磁场，通过高压放电产生高温高速等离子体合成射流，喷出后，等离子体合成射流将受到垂直射流的洛伦兹力从而发生偏转，通过控制磁场的方向、大小可控制射流的偏转方向和偏转程度，从而实现等离子体合成射流的矢量性，可在很大程度上扩展其应用范围。

Description

一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器

技术领域

本发明涉及流体力学流动控制领域、等离子体物理应用领域以及磁流体动力学领域，具体是一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器。

背景技术

临近空间高超声速飞行器技术是21世纪航空航天技术领域新的制高点，也是当前世界航空航天领域发展的热点、重点同时也是难点，世界各军事大国无不把高超声速飞行器作为其国防、军事领域的重点。

高超声速飞行器由于极高的飞行速度，将面临许多极端问题，其一是严酷的热环境，特别是激波/激波干扰、激波/边界层干扰，可能会使飞行器局部产生极高的热流密度，造成飞行器的烧蚀；其二是高超声速飞行器在飞行过程中会受到较大的波阻和摩阻，尤其是马赫数较高时，波阻占比极高，而在飞行器所受波阻中，头部产生的强弓形激波引起的波阻更是占大部分，而当前基于外形优化的高超声速飞行器减阻方法存在极限，因此对高超声速飞行器采取可行的主动流动控制降热减阻方法较为迫切。

当前，国内外对高超声速飞行器提出了较多降热减阻方法，其中针对飞行器头部的主动流动控制降热减阻方法更是占比很大。当前研究较多的飞行器头部降热减阻方法有有源射流逆向喷流减阻、激波杆减阻以及无源等离子体合成射流逆向喷流减阻等，几种方法对于飞行器无攻角状态均有较好的降热减阻效果，然而对于有攻角状态时，减阻效果则大大下降，甚至没有减阻效果，且还会产生一定的激波干扰，形成局部热斑，产生以上问题的主要原因是几种方法均不具有矢量性，无法根据飞行状态的变化调整控制状态，因此发展一种可控的，具有矢量性的高超声速飞行器头部降热减阻技术较为迫切。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，可使得等离子体合成射流激励器实现矢量性以及形成更高速的射流，更有利用激励器应用于高速流场控制，尤其有利于提高高超声速飞行器大攻角飞行状态时逆向喷流的减阻效果。

为实现上述目的，本发明提供一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，包括激励器壳体、阴极放电电极、阳极放电电极与磁场发生装置；

所述激励器壳体内设有放电腔，所述激励器壳体上设有与所述放电腔相通的射流出口，所述阴极放电电极、所述阳极放电电极分别插入所述放电腔；

所述磁场发生装置激发产生磁场，所述磁场覆盖所述射流出口外的部分区域。

在其中一个实施例中，所述磁场发生装置为永磁铁或电磁铁或赫姆霍兹线圈，所述磁场为均匀磁场或非均匀磁场。

在其中一个实施例中，所述磁场的强度为0T-0.5T。

在其中一个实施例中，所述阴极放电电极、所述阳极放电电极与高压脉冲电源电连接。

在其中一个实施例中，还包括电场发生装置；

所述激励器壳体内还设有射流通道，所述射流通道的一端与所述放电腔相通，另一端与所述射流出口相通，所述磁场还覆盖所述射流通道所在的区域；

所述电场发射装置包括直流电源、正极板与负极板，所述正极板与所述直流电源的正极电连接，所述负极板与所述直流电源的负极电连接；

所述正极板位于所述激励器壳体内且位于所述射流通道的一侧，所述负极板位于所述激励器壳体内且位于所述射流通道的另一侧，以在所述射流通道内激发产生匀强电场。

在其中一个实施例中，所述正极板、所述负极板与所述射流通道的壁面之间的间距均为2-5mm；

所述正极板的底端、所述负极板的底端与所述放电腔的顶端之间的间距均为2-5mm。

在其中一个实施例中，所述正极板与所述负极板之间的电压为0-100V。

在其中一个实施例中，所述直流电源为蓄电池。

相较于现有技术，本发明提供的一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器具有如下有益技术效果：

1、相较于传统高超声速飞行器降热减阻技术，本发明提出了一种具有矢量性且速度更高的高超声速飞行器逆向喷流降热减阻技术，尤其对于高超声速大攻角飞行状态时的头部降热减阻具有较好的应用前景，且可根据实际应用需要调整射流速度、射流偏转方向和射流偏转程度；

2、保留了等离子体合成射流激励器所有优点，如体积小、重量轻，结构简单、响应迅速、无复杂气体供应装置，且全部通过电参数进行控制，更为方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中磁控矢量高速等离子体合成射流激励器的结构示意图；

图2为本发明实施例2中磁控矢量高速等离子体合成射流激励器的结构示意图；

图3为本发明实施例中通过传统减阻方式控制大攻角飞行高超声速飞行器头部激波的流场示意图；

图4为本发明实施例中通过磁控矢量高速等离子体合成射流控制大攻角飞行高超声速飞行器头部激波的流场示意图。

附图标号：激励器壳体1、放电腔101、射流出口102、射流通道103、阴极放电电极201、阳极放电电极202、高压脉冲电源203、磁场发生装置3、磁场301、直流电源401、正极板402、负极板403、电场404、等离子体合成射流5、高超声速飞行器6、高超声速来流7、头部激波8。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图1所示为本发明中一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器的第一种实施方式，包括激励器壳体1、阴极放电电极201、阳极放电电极202、高压脉冲电源203与磁场发生装置3。其中，激励器壳体1内设有放电腔101，激励器壳体1上设有与放电腔101相通的射流出口102，阴极放电电极201、阳极放电电极202分别插入放电腔101，磁场发生装置3激发产生磁场301，磁场301覆盖射流出口102外的部分区域。

本实施例中，激励器壳体1为长方体或圆柱体结构。例如，若激励器壳体1为长方体结构，则主要由顶板、底板、前壁板、后壁板、左壁板与右壁板通过固定连接结构拼接组成，其中，固定连接结构的可以采用胶结和/或卡扣连接和/或螺栓连接等。放电腔101为一由顶板、底板、前壁板、后壁板、左壁板与右壁板围成的方形腔，射流出口102设在顶板上。若激励器壳体1为圆柱体结构，则主要由顶板、底板以及空心圆柱通过固定连接结构拼接组成，放电腔101为一由顶板、底板以及空心圆柱围成的圆柱腔。

在具体实施过程中，左壁板与右壁板上或圆柱形腔体相对应的位置设有同轴的通孔。阳极放电电极202的一端穿过左壁板上的通孔后位于放电腔101内，阳极放电电极202的另一端位于激励器壳体1外并与高压脉冲电源203的正极电连接，且阳极放电电极202与通孔的孔壁之间设置有耐热硅胶，以用于固定、密封。阴极放电电极201的一端穿过右壁板上的通孔后位于放电腔101内，阴极放电电极201的另一端位于激励器壳体1外并与高压脉冲电源203的负极电连接，且阴极放电电极201与通孔的孔壁之间同样设置有耐热硅胶，以用于固定、密封。

本实施例中，磁场发生装置3为永磁铁或电磁铁或赫姆霍兹线圈。以赫姆霍兹线圈为例，其可通过控制赫姆霍兹线圈内的脉冲电流的变化产生均匀磁场301或非均匀磁场301，同样还可以通过控制赫姆霍兹线圈内的脉冲电流方向改变磁场301的方向，本实施例中磁场301的强度为0T-0.5T，其中，0.1T的磁场301可使等离子体合成射流5偏转约20°。至于磁场301的具体类型、方向及强度均可根据实际需要进行实时调整。

本实施例中等离子体合成射流激励器的工作过程为：

以图1为例，在磁场发生装置3的作用下，位于激励器壳体1外且在射流出口102周围的位置产生垂直纸面向里的磁场301，高压脉冲电源203通过阳极放电电极202和阴极放电电极201击穿放电腔101体内气体，形成速度最高超过500m/s、工作频率可达几千赫兹的等离子体合成射流5，等离子体合成射流5经过射流出口102后，在磁场301作用下，将受到垂直射流向左的洛伦兹力作用从而向左偏转，最终形成磁控矢量高速等离子体合成射流5，当然，若改变赫姆霍兹线圈中脉冲电流的方向，使得磁场301的方向为垂直纸面向外，则等离子体合成射流5经过射流出口102后，在磁场301作用下，将受到垂直射流向右的洛伦兹力作用从而向右偏转，最终形成磁控矢量高速等离子体合成射流5。

实施例2

如图2所示为本发明中一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器的第二种实施方式，包括激励器壳体1、阴极放电电极201、阳极放电电极202、高压脉冲电源203、磁场发生装置3与电场发生装置。其中，激励器壳体1内设有放电腔101与射流通道103，激励器壳体1上设有射流出口102，射流通道103的一端与放电腔101相通，另一端与射流出口102相通。阴极放电电极201、阳极放电电极202分别插入放电腔101，磁场发生装置3激发产生磁场301，磁场301覆盖射流出口102外的部分区域以及射流通道103所在的区域。电场发射装置包括直流电源401、正极板402与负极板403，正极板402与直流电源401的正极电连接，负极板403与直流电源401的负极电连接。正极板402位于激励器壳体1内且位于射流通道103的一侧，负极板403位于激励器壳体1内且位于射流通道103的另一侧，以在射流通道103内激发产生匀强电场404。

本实施例中，激励器壳体1由长方体结构，主要由顶板、底板、前壁板、后壁板、左壁板与右壁板通过固定连接结构拼接组成，其中，固定连接结构的可以采用胶结和/或卡扣连接和/或螺栓连接等。放电腔101为一由顶板、底板、前壁板、后壁板、左壁板与右壁板围成的方形腔，其中，顶板的厚度远大于底板、前壁板、后壁板、左壁板与右壁板的厚度，射流通道103与射流出口102均设在顶板上。

在具体实施过程中，左壁板与右壁板上设有同轴的通孔。阳极放电电极202的一端穿过左壁板上的通孔后位于放电腔101内，阳极放电电极202的另一端位于激励器壳体1外并与高压脉冲电源203的正极电连接，且阳极放电电极202与通孔的孔壁之间设置有耐热硅胶，以用于固定、密封。阴极放电电极201的一端穿过右壁板上的通孔后位于放电腔101内，阴极放电电极201的另一端位于激励器壳体1外并与高压脉冲电源203的负极电连接，且阴极放电电极201与通孔的孔壁之间同样设置有耐热硅胶，以用于固定、密封。

在具体实施过程中，顶板上位于射流通道103左右两侧的位置设置有沉孔，正极板402嵌入插装在左侧的沉孔内，负极板403嵌入插装在右侧的沉孔内。优选地，正极板402、负极板403与射流通道103的壁面之间的间距均为2-5mm，正极板402的底端、负极板403的底端与放电腔101的顶端之间的间距均为2-5mm，以防止与阳极放电电极202之间发生多余放电。

本实施例中，磁场发生装置3为永磁铁或电磁铁或赫姆霍兹线圈。以赫姆霍兹线圈为例，其可通过控制赫姆霍兹线圈内的脉冲电流的变化产生均匀磁场301或非均匀磁场301，同样还可以通过控制赫姆霍兹线圈内的脉冲电流方向改变磁场301的方向，本实施例中磁场301的强度为0T-0.5T，其中，0.1T的磁场301可使等离子体合成射流5偏转约20°。至于磁场301的具体类型、方向及强度均可根据实际需要进行实时调整。

本实施例中，直流电源401为蓄电池，可在正极板402与负极板403之间的电压为0-100V。

本实施例中等离子体合成射流激励器的工作过程为：

以图2为例，在磁场发生装置3的作用下，位于激励器壳体1外且在射流出口102周围的位置以及射流通道103所在的区域产生垂直纸面向里的磁场301，同时射流通道103内在电场发生装置的作用下产生向右的匀强电场404。高压脉冲电源203通过阳极放电电极202和阴极放电电极201击穿放电腔101体内气体，形成速度最高超过500m/s、工作频率可达几千赫兹的等离子体合成射流5，等离子体合成射流5进入射流通道103后在电场404力的作用下会向右偏移，进而形成向右的电流，此时在磁场301的作用下等离子体合成射流5又会受到与射流同向的洛伦兹力，从而使得离子体合成射流在射流通道103内被进一步加速。当等离子体合成射流5经过射流出口102后，在磁场301作用下，将受到垂直射流向左的洛伦兹力作用从而向左偏转，最终形成磁控矢量高速等离子体合成射流5。

需要注意的是，在具体实施过程中，可根据实际需要关闭磁场发生装置3，形成不具有矢量性的等离子体合成射流5，或关闭电场发生装置，仅形成具有矢量性的等离子体合成射流5。

参考图3-4，将传统头部减阻方式与上述实施例1或实施例2的磁控矢量等离子体合成射流激励器安装于高超声速飞行器6的头部，用于控制飞行器在高超声速来流7作用下产生的头部激波8，此时飞行器有一定的攻角α。首先对于图3所示为传统头部减阻方式，如有源射流逆向喷流、激波杆等，等离子体合成射流5与高超声速来流7有一定的角度，作用后高超声速飞行器6迎风面头部激波8强度仍然较大，且存在较为复杂的激波干扰，减阻效果较差且会形成局部热斑，相比之下，如图4所示，在上述实施例1或实施例2的提供的磁控矢量等离子体合成射流5作用下，头部激波8结构及减阻效果与无攻角时状态相差无几，且不会出现局部热斑。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，包括激励器壳体、阴极放电电极、阳极放电电极与磁场发生装置；

所述激励器壳体内设有放电腔，所述激励器壳体上设有与所述放电腔相通的射流出口，所述阴极放电电极、所述阳极放电电极分别插入所述放电腔；

所述磁场发生装置激发产生磁场，所述磁场覆盖所述射流出口外的部分区域。

2.根据权利要求1所述磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述磁场发生装置为永磁铁或电磁铁或赫姆霍兹线圈，所述磁场为均匀磁场或非均匀磁场。

3.根据权利要求2所述磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述磁场的强度为0T-0.5T。

4.根据权利要求1或2或3磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述阴极放电电极、所述阳极放电电极与高压脉冲电源电连接。

5.根据权利要求1或2或3所述磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，还包括电场发生装置；

所述激励器壳体内还设有射流通道，所述射流通道的一端与所述放电腔相通，另一端与所述射流出口相通，所述磁场还覆盖所述射流通道所在的区域；

所述电场发射装置包括直流电源、正极板与负极板，所述正极板与所述直流电源的正极电连接，所述负极板与所述直流电源的负极电连接；

所述正极板位于所述激励器壳体内且位于所述射流通道的一侧，所述负极板位于所述激励器壳体内且位于所述射流通道的另一侧，以在所述射流通道内激发产生匀强电场。

6.根据权利要求5所述磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述正极板、所述负极板与所述射流通道的壁面之间的间距均为2-5mm；

所述正极板的底端、所述负极板的底端与所述放电腔的顶端之间的间距均为2-5mm。

7.根据权利要求5所述磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述正极板与所述负极板之间的电压为0-100V。

8.根据权利要求5所述磁控矢量高速等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述直流电源为蓄电池。

Images