CN116546716B - 一种同时放电的多路等离子体合成射流装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种同时放电的多路等离子体合成射流装置，涉及等离子体合成射流领域，该装置的每一级的合成射流激励器电路的前向正端口通过充电电阻连接储能电容的第一端以及激励器的第一端，储能电容的第二端连接合成射流激励器电路的前向负端口，最后一级的激励器的第二端直接接地、其他各级的激励器通过接地电阻接地；每一级合成射流激励器电路的前向正端口和前向负端口分别连接前一级的合成射流激励器电路中的激励器的两端，第一级的合成射流激励器电路的前向正端口和前向负端口连接至直流充电电源。该装置能稳定产生多路高能量等离子体合成射流，结构简单、器件的耐压等级需求低、放电能量高、工作性能稳定、设计制作难度低。
Description
技术领域
本申请涉及等离子体合成射流领域，尤其是一种同时放电的多路等离子体合成射流装置。
背景技术
等离子体合成射流(PSJ)激励器是通过半封闭容腔内电弧放电的温升及压升作用产生高温高速零质量射流的装置，具有射流速度高、响应速度快、无活动部件等优势，被认为是一种具有广泛应用前景的技术，广泛应用在主动流动控制等领域中。多路等离子体合成射流的实现方式主要分为基于等离子体合成射流激励器实现的(以下简称激励器)串联放电和并联放电两种方式：
(1)串联放电的典型拓扑是将n个激励器串联形成直接串联式阵列，然后再与储能电容C并联，如图1所示。当施加的电源的电压足够高时，多个激励器可以被同时击穿。直接串联式阵列击穿所需要的电压与串联的激励器的总的气体间隙长度成正比，与串联的激励器的数目、直接串联式阵列中最大或最小电极间距、不同间距的激励器的连接顺序等因素无关。
串联放电方式结构简单，器件少，只需要1套升压电路，多个激励器同时放电，但是要求储能电容C和变压器耐压等级很高，需要激励器的n倍击穿电压(每个激励器的间隙都一致、击穿电压都相同)。
(2)并联放电情况有所不同。与表面电弧放电激励器相同，激励器的放电形式主要为脉冲电弧放电(火花电弧放电)。放电过程中，等离子体通道的伏安特性曲线表现出明显的负阻抗特性，即随着空气击穿、放电电流增大，电弧两端电压迅速下降。若将多个激励器直接并联在一起的话，击穿放电一般只能发生于一个激励器(即第1个发生击穿的激励器)，其余并联的激励器由于电压迅速下降而无法击穿放电。
因此，激励器无法像介质阻挡放电激励器一样并联工作，需要对电路进行特殊设计。比较常见的做法有：在每个并联支路上串联电阻；用多个升压电路分别给多个激励器供电从而将并联的激励器隔离开，每个激励器击穿时不会影响其它激励器两端的电压。串联电阻的方式会限制放电的电流从而大大降低合成射流的能量，所以在对合成射流能量有要求的场合一般不会采用。使用多个升压电路方法的情况更加普遍，其典型拓扑是每个激励器并联一个储能电容C，每个储能电容C连接一个升压电路，如图2所示。并联放电特点是器件耐压等级低，储能电容C的耐压和变压器绝缘只需要按照激励器的击穿电压来进行设计，每个激励器之间独立，可以任意设置激励器的工作状态、放电时刻等。但是要求整体装置的结构复杂，器件繁多，需要n套升压电路，控制系统的设计要求也随之提高。
除了图1这种典型的串联放电方式以及图2这种典型的并联放电方式之外，目前常见的其他的多路等离子体合成射流的拓扑结构还有：公开号为CN106050593A的专利提出了一种基于Marx发生器的多路等离子体合成射流放电装置，其本质是将Marx发生器的开关更换为合成射流激励器的一对电极。该装置工作时，当Marx电路输出脉冲电压时第一个间隙发生击穿之后与之级联的电极两端之间电压会升高，从而使Marx电路级联的各级电极接连击穿，达到多路同时放电的效果，放电时电极间的气隙被击穿，激励器放电产生合成射流。该方案每个激励器对应一个电容所以能实现高能量的放电，且只需要一套升压电路，各器件要求的耐压等级低，但是该方案在放电时放电回路中有很多电阻，合成射流的放电能量会被回路中的电阻消耗从而难以满足能量需求；该方案中每一级电路除了储能电容与激励器之外，还有2个二极管和1个电阻，器件较多，成本较大；并且根据Marx电路的电路原理，电压升高的效果依赖于电路对地的结电容，而结电容的大小受到诸多因素影响，所以该方案的多路合成射流装置性能也易受影响。
因此，虽然目前关于多路等离子体合成射流装置的研究成果比较丰富，但是每个方案都有各自的优缺点，且通常都具有电路结构复杂、器件繁多、器件耐压等级需求高、放电能量低、放电回路中存在电阻损耗放电能量等问题。
发明内容
本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种同时放电的多路等离子体合成射流装置，本申请的技术方案如下：
一种同时放电的多路等离子体合成射流装置，该多路等离子体合成射流装置包括：直流充电电源、隔离电阻和多级合成射流激励器电路；
每一级的合成射流激励器电路的前向正端口连接充电电阻的第一端，充电电阻的第二端连接储能电容的第一端以及激励器的第一端，储能电容的第二端连接合成射流激励器电路的前向负端口，最后一级合成射流激励器电路中的激励器的第二端直接接地，除最后一级之外的其他各级合成射流激励器电路中的激励器的第二端通过接地电阻接地；
每一级的合成射流激励器电路的前向正端口连接前一级的合成射流激励器电路中的激励器的第一端，每一级的合成射流激励器电路的前向负端口连接前一级的合成射流激励器电路中的激励器的第二端；
第一级的合成射流激励器电路的前向正端口连接直流充电电源的正极，第一级的合成射流激励器电路的前向负端口通过隔离电阻连接直流充电电源的负极。
其进一步的技术方案为，第一级的合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压低于直流充电电源的电压U，其他各级合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压在U～1.5U的范围内。
其进一步的技术方案为，多路等离子体合成射流装置交替工作在充电模式和放电模式下，当多路等离子体合成射流装置工作在充电模式下时，直流充电电源对各级合成射流激励器电路中的储能电容进行充电；当多路等离子体合成射流装置工作在放电模式下时，各级合成射流激励器电路中的激励器同时放电。
其进一步的技术方案为，当多路等离子体合成射流装置工作在充电模式下时，直流充电电源对各级合成射流激励器电路中的储能电容进行充电，使得第一级合成射流激励器电路中的激励器的电压上升直至达到对应的击穿电压时发生放电；在第一级合成射流激励器电路中的激励器放电后，后级的合成射流激励器电路中的激励器的电压也上升达到对应的击穿电压，使得各级合成射流激励器电路中的激励器同时放电以切换至放电模式。
其进一步的技术方案为，当多路等离子体合成射流装置工作在放电模式下、各级合成射流激励器电路中的激励器均发生放电时，各级合成射流激励器电路中的储能电容和激励器形成串联回路且串联回路中没有电阻，储能电容中的所有能量全部消耗在各个激励器的放电上，直至激励器两端的电压不足以维持放电时，切换至充电模式。
其进一步的技术方案为，各级合成射流激励器电路中的充电电阻的耐压值均高于直流充电电源的电压U，任意第n级合成射流激励器电路中的接地电阻的耐压值高于nU，n为参数且n≥1。
其进一步的技术方案为，路等离子体合成射流装置的放电能量N是依次级联的合成射流激励器电路的总级数，C是每一个储能电容的容值，U是第一级合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压。
其进一步的技术方案为，隔离电阻、各级合成射流激励器电路中的各个充电电阻和接地电阻的阻值均相同且均采用高压大红袍玻璃釉电阻实现。
其进一步的技术方案为，各级合成射流激励器电路中的储能电容采用高压薄膜电容实现，每个储能电容的耐压值高于直流充电电源的电压U。
其进一步的技术方案为，各级合成射流激励器电路中的激励器的结构相同，每个激励器包括激励器腔体和钨棒电极，激励器腔体采用3D打印制成且壁面上有两个固定孔，每个固定孔内插入并固定有一个钨棒电极，两个钨棒电极之间形成有电极间距。
本申请的有益技术效果是：
本申请公开了一种同时放电的多路等离子体合成射流装置，该多路等离子体合成射流装置只需要直流充电电源这一套升压电路，且每级合成射流激励器电路中除了储能电容和激励器外仅有1-2个组件元件，无需使用二极管等半导体器件，器件较少、结构简单。该多路等离子体合成射流装置中的器件的耐压等级需求低但放电能量高，工作性能稳定，设计制作难度低，能稳定产生多路高能量等离子体合成射流，可以运用在各种需要等离子体合成射流的领域中，如主动流动控制、飞行器防除冰等。相比于单路合成射流，多路合成射流能扩展合成射流的作用面积，从而使合成射流的效果大大提高。
该多路等离子体合成射流装置可以通过调节不同的激励器的电极间距调节其击穿电压，可以根据等离子体合成射流能量的需求改变储能电容的容值和调节激励器的击穿电压从而调节合成射流能量。等离子体合成射流的放电频率可以通过改变直流充电电源的功率进行调节，且级联级数可调节，结构简单，调节方便。
另外，本申请的多路等离子体合成射流装置在充电时各个储能电容的充电回路中电阻差异更小，后一级储能电容比前一级储能电容的充电回路只多1个电阻，储能电容的充电速度更均衡，更能有效避免出现开始放电时后级储能电容的电压未达到要求的情况，从而保障合成射流的放电能量达到要求。
附图说明
图1是现有常见的串联结构的多路等离子体合成射流装置的电路图。
图2是现有常见的并联结构的多路等离子体合成射流装置的电路图。
图3是本申请一个实施例中除最后一级外的任意一级合成射流激励器电路的电路图。
图4是本申请一个实施例中，包含三级合成射流激励器电路时的多路等离子体合成射流装置的电路图。
图5是图4所示电路结构的多路等离子体合成射流装置在充电模式下的充电回路示意图。
图6是图4所示电路结构的多路等离子体合成射流装置在放电模式下的放电回路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种同时放电的多路等离子体合成射流装置，该多路等离子体合成射流装置包括直流充电电源V、隔离电阻R0和多级合成射流激励器电路。请参考图3，每一级的合成射流激励器电路的前向正端口P1连接充电电阻Ra的第一端，充电电阻Ra的第二端连接储能电容C的第一端以及激励器N的第一端，储能电容C的第二端连接该级合成射流激励器电路的前向负端口P2。最后一级合成射流激励器电路中的激励器的第二端直接接地，除最后一级之外的其他各级合成射流激励器电路中的激励器的第二端通过接地电阻Rb接地，如图3示出了除最后一级之外的各级合成射流激励器电路的电路结构图。
各级合成射流激励器电路依次级联，每一级的合成射流激励器电路的前向正端口P1连接前一级的合成射流激励器电路中的激励器N的第一端，每一级的合成射流激励器电路的前向负端口P2连接前一级的合成射流激励器电路中的激励器N的第二端。第一级的合成射流激励器电路的前向正端口P1连接直流充电电源V的正极，第一级的合成射流激励器电路的前向负端口P2通过隔离电阻R0连接直流充电电源V的负极。
如图4示出了多路等离子体合成射流装置中包括三级依次级联的合成射流激励器电路的示意图，为了便于区分，三级合成射流激励器电路中的充电电阻Ra分别表示为R1、R3和R5，三级合成射流激励器电路中的储能电容C分别表示为C1、C2和C3，三级合成射流激励器电路中的激励器N分别表示为N1、N2和N3，第一级和第二级合成射流激励器电路中的接地电阻Rb分别表示为R2和R4。
在一个实施例中，该多路等离子体合成射流装置中的电路参数的要求包括：
(1)直流充电电源V采用直流恒压源，且直流充电电源V的电压U大于等于5kV。
(2)各级合成射流激励器电路中的充电电阻的耐压值均高于所述直流充电电源的电压U，任意第n级合成射流激励器电路中的接地电阻的耐压值高于nU，n为参数且1≤n≤N-1，N是依次级联的合成射流激励器电路的总级数。
多路等离子体合成射流装置中的隔离电阻R0、各级合成射流激励器电路中的各个充电电阻Ra和接地电阻Rb的阻值均相同且均采用高压大红袍玻璃釉电阻实现，高压大红袍玻璃釉电阻的耐压值高于直流充电电源V的电压U且具有一定裕量。每个电阻的阻值在1kΩ～50kΩ范围内且功率大于等于5W。
(3)各级合成射流激励器电路中的储能电容C采用高压薄膜电容实现，每个储能电容C的耐压值高于直流充电电源V的电压U且具有一定裕量。每个储能电容C的容值在0.01μF～100μF。
(4)各级合成射流激励器电路中的激励器N的结构相同，每个激励器包括激励器腔体和钨棒电极，激励器腔体采用3D打印制成且壁面上有两个固定孔，每个固定孔内插入并固定有一个钨棒电极，两个钨棒电极之间形成有电极间距。在一个实例中，钨棒电机的直径为1mm。
各个激励器的电极间距可调节从而使得激励器的击穿电压可调节。在本申请中，第一级的合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压低于直流充电电源V的电压U，一般略低于电压U，而其他各级合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压在U～1.5U的范围内。比如在图4的实例中，直流充电电源V的电压U＝5kV，则激励器N1的击穿电压略低于5kV，而激励器N2和激励器N3的击穿电压略高于5kV而低于7.5kV。
本申请这种结构的多路等离子体合成射流装置交替工作在充电模式和放电模式下，当多路等离子体合成射流装置工作在充电模式下时，直流充电电源V对各级合成射流激励器电路中的储能电容C进行充电；当多路等离子体合成射流装置工作在放电模式下时，各级合成射流激励器电路中的激励器N同时放电：
当多路等离子体合成射流装置工作在充电模式下时，直流充电电源V对各级合成射流激励器电路中的储能电容C进行充电，在该装置开始工作时，所有储能电容C的电压为0，随着充电的进行，储能电容C的电压从0开始上升，使得第一级合成射流激励器电路中的激励器的电压也随之上升，当第一级合成射流激励器电路中的激励器的电压上升直至达到对应的击穿电压时，第一级合成射流激励器电路中的激励器发生放电，电极间距间被击穿的空气间隙阻抗迅速下降，可以看作导线，会使得第一级合成射流激励器电路中的激励器放电后，后级的合成射流激励器电路中的激励器的电压也上升达到对应的击穿电压，使得各级合成射流激励器电路中的激励器同时放电以切换至放电模式。
比如在图4中，多路等离子体合成射流装置工作在充电模式下时的充电回路如图5所示，直流充电电源V对储能电容C1、C2和C3进行充电。当激励器N1发生放电时，会导致储能电容C1和储能电容C2串联，由于储能电容两端的电压不能突变，因此储能电容C2与充电电阻R3的连接点的对地电压会变为2倍的储能电容的电压也即变为2U，结合U＝5kV的参数设定，也即变为10kV。此时根据基尔霍夫电压定律分析可知，接地电阻R4和充电电阻R5上的电压均为0.5倍储能电容的电压即为0.5U＝2.5kV，激励器N2和激励器N3的电极两端的电压均为1.5倍储能电容的电压1.5U＝7.5kV，而激励器N2和激励器N3的击穿电压均小于1.5U，所以激励器N2和激励器N3发生放电，所有三个激励器N1、N2、N3都在放电，多路等离子体合成射流装置工作放电模式，放电回路的示意图如图6所示。当有更多级合成射流激励器电路时电路原理也是类似的。
当多路等离子体合成射流装置工作在放电模式下、各级合成射流激励器电路中的激励器均发生放电时，此时各级合成射流激励器电路中的储能电容C和激励器N形成串联回路且串联回路中没有电阻，如图6所示，储能电容中的所有能量全部消耗在各个激励器的放电上，根据基尔霍夫电压定律，此时串联回路中的阻抗非常小，接近于短路，所以此时电路相当于多个初始电压约为U的储能电容串联再短路，所以放电电流非常大，在很短的时间内可以释放几乎储能电容中的所有能量，使得储能电容的电压下降至接近于0，直至激励器两端的电压不足以维持放电时，切换至充电模式。重复上述过程，如此循环往复。
本申请的多路等离子体合成射流装置的放电能量N是依次级联的合成射流激励器电路的总级数，C是每一个储能电容的容值，U是第一级合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压。实际应用中可以根据需求选取合适的级数n，从而实现不同作用范围的合成射流，选取合适的各个激励器的击穿电压与储能电容的容值，从而调整该多路等离子体合成射流装置的放电能量。还可以选取合适特性和功率的直流充电电源V，调节储能电容的充电速度从而调节合成射流的放电频率。
相比于使用Marx作为拓扑的多路合成射流装置，本申请多路等离子体合成射流装置的每一级合成射流激励器电路都有接地，各点电位都不浮动，大大减小了对地结电容的影响，工作更稳定，设计制作时器件和电路布局也不用受限于结电容的考量，设计制作难度更小，而Marx电路中间各级都没有接地，多处电位均处于浮动的状态，并且对地的结电容会直接影响电路的工作性能，对实际电路的设计制作带来困难。另外本申请的多路等离子体合成射流装置在充电时各个储能电容的充电回路中电阻差异更小，后一级储能电容比前一级储能电容的充电回路只多1个电阻，储能电容的充电速度更均衡，更能有效避免出现开始放电时后级储能电容的电压未达到要求的情况，从而保障合成射流的放电能量达到要求，而Marx电路后一级储能电容比前一级储能电容的充电回路多2个电阻，储能电容的充电速度差异更大，容易出现开始放电时后级储能电容电压未达到要求的情况。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种同时放电的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，所述多路等离子体合成射流装置包括：直流充电电源、隔离电阻和多级合成射流激励器电路；
每一级的合成射流激励器电路的前向正端口连接充电电阻的第一端，所述充电电阻的第二端连接储能电容的第一端以及激励器的第一端，所述储能电容的第二端连接所述合成射流激励器电路的前向负端口，最后一级合成射流激励器电路中的激励器的第二端直接接地，除最后一级之外的其他各级合成射流激励器电路中的激励器的第二端通过接地电阻接地；
每一级的合成射流激励器电路的前向正端口连接前一级的合成射流激励器电路中的激励器的第一端，每一级的合成射流激励器电路的前向负端口连接前一级的合成射流激励器电路中的激励器的第二端；
第一级的合成射流激励器电路的前向正端口连接所述直流充电电源的正极，第一级的合成射流激励器电路的前向负端口通过隔离电阻连接所述直流充电电源的负极，第一级合成射流激励器电路的前向负端口还接地。
2.根据权利要求1所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，第一级的合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压低于所述直流充电电源的电压U，其他各级合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压在U~1.5U的范围内。
3.根据权利要求2所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，所述多路等离子体合成射流装置交替工作在充电模式和放电模式下，当所述多路等离子体合成射流装置工作在充电模式下时，所述直流充电电源对各级合成射流激励器电路中的储能电容进行充电；当所述多路等离子体合成射流装置工作在放电模式下时，各级合成射流激励器电路中的激励器同时放电。
4.根据权利要求3所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，当所述多路等离子体合成射流装置工作在充电模式下时，所述直流充电电源对各级合成射流激励器电路中的储能电容进行充电，使得第一级合成射流激励器电路中的激励器的电压上升直至达到对应的击穿电压时发生放电；在第一级合成射流激励器电路中的激励器放电后，后级的合成射流激励器电路中的激励器的电压也上升达到对应的击穿电压，使得各级合成射流激励器电路中的激励器同时放电以切换至放电模式。
5.根据权利要求3所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，当所述多路等离子体合成射流装置工作在放电模式下、各级合成射流激励器电路中的激励器均发生放电时，各级合成射流激励器电路中的储能电容和激励器形成串联回路且串联回路中没有电阻，储能电容中的所有能量全部消耗在各个激励器的放电上，直至激励器两端的电压不足以维持放电时，切换至充电模式。
6.根据权利要求1所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，各级合成射流激励器电路中的充电电阻的耐压值均高于所述直流充电电源的电压U，任意第级合成射流激励器电路中的接地电阻的耐压值高于/>，/>为参数且/>。
7.根据权利要求1所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，所述路等离子体合成射流装置的放电能量，/>是依次级联的合成射流激励器电路的总级数，/>是每一个储能电容的容值，/>是第一级合成射流激励器电路中的激励器的击穿电压。
8.根据权利要求1所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，所述隔离电阻、各级合成射流激励器电路中的各个充电电阻和接地电阻的阻值均相同且均采用高压大红袍玻璃釉电阻实现。
9.根据权利要求1所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，各级合成射流激励器电路中的储能电容采用高压薄膜电容实现，每个储能电容的耐压值高于所述直流充电电源的电压U。
10.根据权利要求1所述的多路等离子体合成射流装置，其特征在于，各级合成射流激励器电路中的激励器的结构相同，每个激励器包括激励器腔体和钨棒电极，激励器腔体采用3D打印制成且壁面上有两个固定孔，每个固定孔内插入并固定有一个所述钨棒电极，两个所述钨棒电极之间形成有电极间距。
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