[科普中国]-等离子体射流风洞

简介

等离子体是一种由大量电子、离子和中性粒子组成且总体上呈中性的物质聚集体，它不同于物质的气态、液态和固态，而被称为物质的第四态。等离子体的应用领域非常广泛，如电子、加工、材料等。在航空航天领域，等离子体具有隐身、助燃、降噪等功用，近十几年来，等离子体在空气动力学中的应用研究一直是研究的热点，如：等离子体增升减阻、流动控制、电场体力推进等。等离子体流动控制与目前传统的常规流动控制相比，潜在的优势有：(1)不需要活动的气动控制面；(2)流动控制响应快；(3)流动控制位置灵活，飞行器上任何需要的位置都可以布置。

开展等离子体空气动力学研究主要有两个途径：一是研制等离子体风洞，建立等离子体流场试验环境；二是研制小型等离子体发生器，将其安装在试验模型中，用于常规风洞试验研究。1

背景在高超声速飞行条件下，飞行器周围高温气体产生了强烈的振动、离解和电离，形成了等离子体鞘层。各种测试、控制、导航、通信电磁信号穿过等离子体鞘层时，由于电子振荡，电子通过与等离子体鞘层中的背景粒子碰撞，将动能传给背景粒子，这样就造成入射电磁波自身能量的衰减；另外，电磁波在等离子体鞘层中会产生法拉第旋转，从而造成极化失真。正是由于电磁信号的衰减和失真，从而引起飞行器与外界的通信中断，即“黑障”问题。因此开展等离子体鞘层电磁特性研究，对军事和民用空间通讯都具有重要的现实意义。

在高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性的研究工作中，风洞流场的电子数密度、电子温度及其空间分布是最重要的影响参数。针对这些风洞流场关键参数的诊断，基于高频等离子体风洞，对高频等离子体风洞不同运行功率、不同气体流量条件下射流核心区域的电子数密度和电子温度进行测试，研究电子数密度和电子温度随风洞运行参数的变化规律。1

分类微波驱动式等离子体风洞美国普林斯顿大学设计和建造了一座超声速微波驱动式等离子体风洞，用以研究等离子体对流动机理等方面的影响。该风洞试验段尺寸51mm*51mm，试验M数为3，试验段静压5600Pa，静温110K。等离子体由频率2.45GHz、脉冲1ms、50kW的微波辐射产生并导入超声速流场。微波由安装在洞壁上侧的微波窗口引入，通过反射板使其偏转90°成水平方向。然后，微波与气流一起流过喷管，自诱导形成等离子体超声速流场，反射板上开有直径6.4mm的密布小孔，以便能在反射微波的同时,允许气流通过。1

电弧式等离子体风洞美国斯维尔德鲁普技术有限公司(Sverdrup Tchnology,Inc.)和空军阿诺德工程发展中心(AEDC)研制了超声速电弧等离子体风洞。该风洞将盖尔丁型(Gerdien-type)等离子发生器电极的正极镶嵌于15°的风洞锥型喷管喉道中,试验气体(氩气)流经电弧并通过喷管膨胀后，射入直径178mm、长1219mm的耐热玻璃管试验段。1

直流放电或射频放电式等离子体风洞俄亥俄州立大学为了研究超声速冷气流中激波流动控制问题，近年来研制了小尺度、非平衡等离子体风洞，试验M=2，风洞中的等离子通过喉道处直流放电电极或试验模型前射频放电电极产生。1

感应热式等离子体风洞感应热等离子体风洞(plasmatron)是通过高频电发生器感应偶合将亚声速或超声速射流加热到极高温度(5000~10000℃)，此时气体被电离，它主要用于航天器防热研究。1