[科普中国]-激波控制

背景

在超声速、高超声速飞行器的研制和使用过程中，均不可避免地会遇到由激波引起的各类问题，包括激波/激波干扰、激波/边界层干扰、进气道低马赫数溢流等，这些可能导致推进系统工作效率下降、工作包线变窄，并使得飞行器气动阻力增加、局部出现高热流乃至烧蚀现象等。为此，有必要采取措施对激波进行控制。由于激波是一类具有强扰动特征的气动现象，其特性仅仅由来流马赫数和物面转折角度决定，使得对其的控制具有较大难度。

变几何调节是目前研究较多的一类激波控制方法，其通过改变物面的几何位置、倾角等来实现对激波的控制。然而，由于变几何调节方法需要采用可转动或可平移的机械装置，不仅会使结构复杂、质量加大，还存在封严、热防护等问题。为此，各国学者一直在探索各种几何固定的激波控制方法，以在不改变飞行器几何外形的前提下来对激波进行控制，避免变几何控制方法的不足。

进气道激波控制需求分析超声速、高超声速的激波系只能在设计点达到理想的封口状态，而在实际工作的大部分工况下，其往往处于非设计状态:当飞行马赫数高于设计马赫数时，激波角较小，前体激波系会提前交汇并形成一道强激波，入射在进气道内部，使得总压损失增加，并可能诱导边界层分离，甚至引起进气道不起动;当飞行马赫数低于设计马赫数时，激波角增大，使得进气道的捕获流量减少，溢流量和溢流阻力增加。为此，从进气道工作性能和工作稳定性的角度出发，需要对前体激波系进行有效控制，且所需的控制幅度较大，往往达到了进气道内通道进口高度的1/3。

另一方面，由于进气道唇罩前缘处于前体激波系、唇罩脱体激波等形成的多激波干扰区，在不同的马赫数、攻角状态下其附近可能出现六种激波/激波干扰现象，其中三种会导致局部热流密度过大，容易烧蚀唇口。为此，从进气道唇罩前缘的热防护角度出发，也需要对前体激波系进行有效控制，不过其所需的控制幅度较小，一般为进气道唇罩前缘厚度的2~3倍。

基于局部能量添加的激波控制在流场中局部地、集中地加入能量，可使得当地及下游流体的热力学状态参数或物性参数等发生变化，合理利用这些变化能够实现对激波的控制。目前，基于该原理的激波控制方法主要包括:壁面热鼓包控制、近壁等离子体放电控制、流场内部能量沉积控制。

壁面热鼓包控制方法该控制方法通过在壁面设置大功率的热源来对边界层气流进行集中加热，使得当地气流的温度迅速升高、体积迅速膨胀、密度迅速降低，故近壁区间的流通能力随之下降，从而使边界层气流向外偏折，实现对激波的偏转控制。由于该方法利用加热效应在边界层内产生了一个类似于鼓包的气动边界，因此被称为“热鼓包”技术(如图)。实际上，局部加热还会对下游边界层的发展特性带来影响，特别是边界层位移厚度的增长规律。

热鼓包的概念最早由当时在美国怀特州立大学工作的颜红教授和美国空军实验室的Gaitonde共同提出，其研究的焦点是脉冲式释热效应对层流边界层的扰动特性。后来，同样是在美国空军实验室的支持下，英国、印度的两个课题组开始尝试利用其来进行激波控制，并且均开展了风洞试验研究。

近壁等离子体放电控制方法基于等离子体气动激励的流动控制技术是当前流动控制领域的研究热点，其控制目标包括诱导旋涡、推迟转挨和控制流动分离等多个方面，美国、俄罗斯、法国、英国、日本、荷兰以及我国均在此方面开展了大量的研究工作。这里，仅涉及基于近壁等离子体放电的斜激波特性控制。一般认为，等离子体气动激励的实现涉及到三种物理依据:一是“动力效应”，即等离子体在电磁力作用下的加速效应;二是“冲击效应”，即气体电离时局部温升和压升产生的冲击扰动效应;三是“物性改变”，即等离子体对气流粘性、热传导特性等的改变效应。在超声速、高超声速气流的激波控制中，近期的研究表明是局部加热效应起到了主导作用。

最早明确提出将等离子体气动激励技术用于超声速、高超声速进气道激波控制的，是俄罗斯联合高温研究所的Leonov。如图所示，在超声速进气道第一级压缩面的末端嵌入等离子体激励装置，可对其第二级激波的位置、倾角进行控制。

流场内部能量沉积控制除了在近壁区间注入能量外，还可直接在主流中加入能量来实现激波控制，特别是对进气道唇口上游附近激波的控制。其基本原理是:通过激光聚焦照射等方式在进气道唇口进行集中加热，使当地流线发生偏转、更多流体流入进气道，从而提高进气道的流量捕获能力。由于这实际上起到了将进气道唇口向前延伸的作用，为此又常常称之为“虚拟唇口法”。

基于局部质量添加的激波控制近壁能量注入方法对激波的控制是通过气体升温膨胀而导致的局部流线偏转实现的，而局部质量添加的控制原理则更为直接:通过壁面连续注入二次流体对主流的气动边界进行偏转，从而实现激波控制。

基于此原理，南京航空航天大学的谭慧俊等提出并验证了一种小流量、低驱动压比的分布式二次流注入控制技术，可以实现对激波形状的控制。如图所示，其基本工作原理是:从壁面以一定的规律注入小流量二次流，由于这部分流体占据了流动空间并带来了一定的总压损失，使得近壁区主流的流通能力不断地减弱，于是边界层被迫连续向外偏转，形成了特定的、可以设计的主流气动边界，从而推动主流激波向外偏转。

基于直接力控制的激波控制顾名思义，该方法通过直接对流体质点施加外力来改变其运动方向，从而实现对激波的控制。基于磁流体动力学(Magnet}hydr}dynamic, MHD)的激波控制方法便是其典型代表，其实施方案为:首先，利用特定方法(如微波照射)在来流中形成带电粒子;而后，利用可变磁场对带电粒子施加可控的洛伦兹力，从而改变气流运动方向、实现激波控制。1