CN106892078B - 一种用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，该装置包括：若干个减阻单元、导线、直流电源、第三绝缘层、微波发生器和第一波导；其中，所述减阻单元包括狭缝天线、石英玻璃板、金属膜、第一绝缘层、第二绝缘层、第一电极、第二电极和第二波导；各减阻单元通过第三绝缘层依次相连接；第一波导与第二波导相连接；微波发生器与第一波导相连接。本发明通过在石英玻璃板下方狭缝天线发射微波，在石英玻璃板表面形成大面积均匀的表面波，进而激发表面波等离子体，具有产生等离子体密度高、平面大面积均匀、高度放电稳定和处理过程可重复性的优点。

Description

一种用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置

技术领域

本发明涉及等离子体流动控制领域，尤其涉及一种用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置。

背景技术

与飞机或卫星相比，临近空间飞艇具有地面覆盖范围广、滞空时间长、快速响应能力强、制造及运行成本低、可重复使用、升级换代快、运行特性好等诸多优势，具有重要的军事应用前景。因此，对临近空间飞艇的研制具有很高的紧迫性。飞艇的飞行阻力每减少1％，有效载荷约可增加10％，可以大大提高飞行器的飞行速度、增大航程，增加飞艇的滞空时间。

等离子体流动控制是一种新的流动控制技术，近年来已成为国际上空气动力学和气动热力学领域新兴的重要研究热点。等离子体流动控制的主要特点是：等离子体气动激励是电场力作用，没有运动部件、响应迅速、作用频带宽、便于实时控制、结构简单、能耗较低等。等离子体是指气体在高能电磁激励下发生电离，产生的电子与离子共存并高速运动的一种物质存在状态，是区别于传统固体、液体和气体的第四类物质聚集态。在外加电场或自激励电场的作用下，等离子体中的电子和离子在电场中做定向运动，与中性粒子发生碰撞，并将自身动量、能量传输给周围空气，从而使得暴露电极附近的空气产生定向运动，形成诱导气流。等离子体流动控制的基本原理主要是利用诱导气流与飞行器边界层的相互作用，控制边界层分离、抑制层流--湍流转捩等，达到增升减阻等提高飞行器气动性能的目的。

目前，在等离子体流动控制技术中常采用的表面直流电晕放电、大气压均匀辉光放电、表面介质阻挡放电等方法，无一例外存在所产生等离子体的强度、区域有限的缺点，无法满足临近空间飞艇艇身大表面积减阻的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，通过表面波激发等离子体在电极电场的作用下产生诱导气流，实现临近空间飞艇艇身大面积减阻流动控制。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，包括：若干个减阻单元、导线、直流电源、第三绝缘层、微波发生器和第一波导；其中，所述减阻单元包括狭缝天线、石英玻璃板、金属膜、第一绝缘层、第二绝缘层、第一电极、第二电极和第二波导，其中，金属膜镀设于石英玻璃板的下表面、左侧面和右侧面；镀设于石英玻璃板的下表面的金属膜开设有缝隙，狭缝天线嵌设于所述缝隙内；第一绝缘层包设于左侧面的金属膜；第二绝缘层包设于右侧面的金属膜；第一电极与第一绝缘层相连接；第二电极与第二绝缘层相连接；第二波导的一表面与狭缝天线相连接；第一电极通过导线与直流电源相连接，第二电极通过导线与直流电源相连接；各减阻单元通过第三绝缘层依次相连接；第一波导与第二波导相连接；微波发生器与第一波导相连接。

上述用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置中，狭缝天线位于所述石英玻璃板的下表面的中心线。

上述用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置中，第二波导的长度方向与狭缝天线的长度方向相平行。

上述用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置中，微波发生器发射的微波为TE模，微波电场偏振方向与狭缝天线平行。

上述用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置中，微波电场场强为E＝2×36.84p(1+ω²/ν²)^1/2，其中，p为环境大气压，ω为微波频率，ν为电离频率。

上述用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置中，所述石英玻璃板的宽度为微波波长的8倍，厚度为微波波长的0.4倍。

上述用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置中，第一波导的轴向与第二波导的轴向相互垂直。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过在石英玻璃板下方狭缝天线发射微波，在石英玻璃板表面形成大面积均匀的表面波，进而激发表面波等离子体，具有产生等离子体密度高、平面大面积均匀、高度放电稳定和处理过程可重复性的优点；

(2)本发明利用通有直流电的电极在表面附件形成电场，通过等离子体在电场诱导下的定向运动，在更大的范围内起到控制流动分离、减小飞艇阻力的作用。

附图说明

图1是本发明的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置的结构示意图；

图2是本发明的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置在飞艇表面的布置示意图。

图3是本发明的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置减阻单元拼接方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置的结构示意图。如图1所示，该用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置包括：减阻单元、导线4、直流电源5、第三绝缘层73、微波发生器8和第一波导91。其中，

减阻单元包括狭缝天线1、石英玻璃板2、金属膜3、第一绝缘层71、第二绝缘层72、第一电极61、第二电极62和第二波导92，其中，金属膜3镀设于石英玻璃板2的下表面、左侧面和右侧面；镀设于石英玻璃板2的下表面的金属膜3开设有缝隙，狭缝天线1嵌设于该缝隙内；第一绝缘层71包设于左侧面的金属膜3的外侧；第二绝缘层72包设于右侧面的金属膜3的外侧；第一电极61与第一绝缘层71相连接；第二电极62与第二绝缘层72相连接；第二波导92的一表面与狭缝天线1相连接；第一电极61通过导线4与直流电源5相连接，第二电极62通过导线4与直流电源5相连接。具体实施时，如图1所示，石英玻璃板2的下表面、左侧面和右侧面三个表面上都镀有金属膜3，其中，下表面的金属膜3开设有与狭缝天线1宽度相等的缝隙，狭缝天线1嵌在金属膜3的缝隙内。第一绝缘层71将石英玻璃板2的左侧面的金属膜3包裹起来，第二绝缘层72将石英玻璃板2的右侧面的金属膜3包裹起来，从而起到绝缘的作用。第一电极61通过导线4与直流电源5的右端相连接，第二电极62通过导线4与直流电源5的左端相连接。需要说明的是，第一电极与第一绝缘层的连接方式有多种，连接的所有方式都在本实施例保护的范围内。第二电极与第二绝缘层的连接方式有多种，连接的所有方式都在本实施例保护的范围内。

第一波导91与第二波导92相连接。具体的，如图1所示，第一波导91的轴向与第二波导92的轴向相互垂直。各个第一波导91相互平行。

微波发生器8与第一波导91相连接。

本实施例的工作原理：微波发生器8发射微波，微波由第一波导91和第二波导92引到石英玻璃板2处，第二波导92将开有狭缝的波导面直接贴到石英玻璃板2上，微波就通过狭缝天线1耦合发射到石英玻璃板2外侧的大气中。从石英玻璃板2内部入射到大气的电磁波中，入射角θi<θc(θc为电磁波被介质界面反射的临界入射角)的那部分电磁波，可通过狭缝穿过石英玻璃板2进入大气；入射角θi>θc(θc为电磁波被介质界面反射的临界入射角)的另一部分电磁波在石英玻璃板界面处被全反射,以表面波的形式在石英玻璃板内往四周传输，其能量被约束在界面两边很薄的平面区域内，场强往界面法向两边指数衰减，称为表面波。如果入射电磁波的功率足够大,在电磁波沿界面传输到大气处的强度还足够强，足以维持高密度等离子体(10¹²cm^-3)时，在一定的气压、天线形状下，平面大面积均匀的高密度等离子体即可产生。

石英玻璃板两侧的第一电极61与第二电极62分别通过导线4连接到直流电源5的两端。在直流电的作用下，第一电极61与第二电极62之间产生一个稳定的外加电场。外加电场的方向与微波电场及狭缝天线的方向垂直，从第一电极指向第二电极。由于微波电场是快速交变的，其对等离子体的稳态作用力相互抵消，而外加电场是稳定的，等离子体中的电子和离子在外加电场中做定向运动，与中性粒子发生碰撞，并将自身动量、能量传输给周围空气，从而使得减阻单元表面附近的空气产生定向运动，形成诱导气流。利用诱导气流与飞行器边界层的相互作用，控制边界层分离、抑制层流--湍流转捩等，达到减阻的目的。

上述实施例中，减阻单元的数量为若干个，若干个减阻单元中的石英玻璃板2依次相连接。图1示出的减阻单元的数量为三个，相应的，有三个石英玻璃板2，左边的石英玻璃板的右端与中间的石英玻璃板的左端相连接，中间的石英玻璃板的右端与右边的石英玻璃板的左端相连接。需要说明的是，各石英玻璃板连接的方式有多种，连接的所有方式都在本实施例保护的范围内。

进一步的，各个石英玻璃板2的大小相等。具体的，各个石英玻璃板2的宽度、长度和厚度均相等。

上述实施例中，狭缝天线1位于石英玻璃板2的下表面的中心线。具体的，狭缝天线1位于石英玻璃板2下表面的中心线上，在与飞艇飞行方向垂直的方向横贯石英玻璃板2。狭缝天线1另一侧贴在第二波导92的上表面，进一步的，第二波导92的长度方向与狭缝天线1的长度方向相平行。

上述实施例中，微波发生器8发射的微波为TE模，微波电场偏振方向与狭缝天线1平行。微波电场场强为E＝2×36.84p(1+ω²/ν²)^1/2，其中，p为环境大气压，ω为微波频率，ν为电离频率。

上述实施例中，石英玻璃板2的宽度为微波波长的8倍，厚度为微波波长的0.4倍。当采用24GHz的微波时，石英玻璃板宽度为0.1m，厚度为0.005m。

图2是本发明的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置在飞艇表面的布置示意图。如图2所示，石英玻璃板2连同其内侧覆盖的金属膜3与狭缝天线1共同组成减阻单元，在飞艇靠近尾部的表面铺设。铺设范围为：沿飞艇长度方向1～2m，围绕飞艇周向一周。大小相等的减阻单元依次排列，装有狭缝天线1的一面贴在飞艇艇身外侧，另一面裸露在空气中。第一电极61和第二电极62贴在飞艇艇身外侧，第一电极61和第二电极62分别通过导线4连接在直流电源5上。导线4、直流电源5、微波发生器8、第一波导91和第二波导92安装在飞艇艇身内部。

图3是本发明的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置减阻单元拼接方式示意图。如图3所示，第一绝缘层71设置于石英玻璃板2的上游，使得石英玻璃板2与第一电极61绝缘。第二绝缘层72设置于石英玻璃板2的下游，使得石英玻璃板2与第二电极62绝缘。相邻的两个减阻单元通过第三绝缘层73相连接，具体的，左边的减阻单元的第二电极62与第三绝缘层73相连接，左边的减阻单元的第一电极61与第三绝缘层73相连接。从而通过第三绝缘层73保证相邻的两个减阻单元绝缘。

本发明通过在石英玻璃板下方狭缝天线发射微波，在石英玻璃板表面形成大面积均匀的表面波，进而激发表面波等离子体，具有产生等离子体密度高、平面大面积均匀、高度放电稳定和处理过程可重复性的优点；并且本发明利用通有直流电的电极在表面附件形成电场，通过等离子体在电场诱导下的定向运动，在更大的范围内起到控制流动分离、减小飞艇阻力的作用。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，其特征在于包括：若干个减阻单元、导线(4)、直流电源(5)、第三绝缘层(73)、微波发生器(8)和第一波导(91)；其中，

所述减阻单元包括狭缝天线(1)、石英玻璃板(2)、金属膜(3)、第一绝缘层(71)、第二绝缘层(72)、第一电极(61)、第二电极(62)和第二波导(92)，其中，金属膜(3)镀设于石英玻璃板(2)的下表面、左侧面和右侧面；镀设于石英玻璃板(2)的下表面的金属膜(3)开设有缝隙，狭缝天线(1)嵌设于所述缝隙内；第一绝缘层(71)包设于左侧面的金属膜(3)；第二绝缘层(72)包设于右侧面的金属膜(3)；第一电极(61)与第一绝缘层(71)相连接；第二电极(62)与第二绝缘层(72)相连接；第二波导(92)的一表面与狭缝天线(1)相连接；第一电极(61)通过导线(4)与直流电源(5)相连接，第二电极(62)通过导线(4)与直流电源(5)相连接；

各减阻单元通过第三绝缘层(73)依次相连接；

第一波导(91)与第二波导(92)相连接；

微波发生器(8)与第一波导(91)相连接；

微波发生器(8)发射的微波为TE模，微波电场偏振方向与狭缝天线(1)平行；

所述石英玻璃板(2)的宽度为微波波长的8倍，厚度为微波波长的0.4倍；

将等离子体流动控制装置在飞艇表面的布置方法包括如下步骤：

将石英玻璃板(2)连同其内侧覆盖的金属膜(3)与狭缝天线(1)共同组成减阻单元，在飞艇的尾部的表面铺设；

沿飞艇长度方向1～2m，围绕飞艇周向一周，大小相等的减阻单元依次排列，装有狭缝天线(1)的一面贴在飞艇艇身外侧，另一面裸露在空气中；第一电极(61)和第二电极(62)贴在飞艇艇身外侧，第一电极(61)和第二电极(62)分别通过导线(4)连接在直流电源(5)上；

将导线(4)、直流电源(5)、微波发生器(8)、第一波导(91)和第二波导(92)安装在飞艇艇身内部。

2.根据权利要求1所述的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，其特征在于：狭缝天线(1)位于所述石英玻璃板(2)的下表面的中心线。

3.根据权利要求2所述的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，其特征在于：第二波导(92)的长度方向与狭缝天线(1)的长度方向相平行。

4.根据权利要求1所述的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，其特征在于：微波电场场强为E＝2×36.84p(1+ω²/ν²)^1/2，其中，p为环境大气压，ω为微波频率，ν为电离频率。

5.根据权利要求1所述的用于临近空间飞艇减阻的等离子体流动控制装置，其特征在于：第一波导(91)的轴向与第二波导(92)的轴向相互垂直。