CN120434874A - 用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器，包括激励器本体、放电腔体、阴极针电极、阳极针电极、绝缘介质层、裸露电极、埋藏电极、射流孔。工作时，放电腔体两侧的针电极之间形成电弧，放电腔体内的气体被瞬间加热并流向射流孔；同时，气体在激励器顶部的板状电极表面放电，产生的离子在电场的诱导下对气流进行二次加速，高速射流由射流出口向外喷出。本发明不破坏传统等离子体合成射流激励器的结构和特性，形成复合型等离子体合成射流激励器，有效提升了传统激励器的性能，产生的力矩可以有效满足飞行器的姿态调控。

Description

用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器

技术领域

本发明涉及一种主动流动控制装置，特别涉及一种等离子体合成射流激励器。

背景技术

主动流动控制技术是当前航空航天领域的研究热点之一，发展主动流动控制技术对于改善高超声速飞行器的气动特性十分重要。

等离子体合成射流激励器作为一种新型主动流动控制装置，通常由开有孔/缝的绝缘腔体和多个电极组成，其完整的工作循环开始于电极之间的脉冲式电弧放电。空气电离产生的大量热量会迅速提高腔内的压力，从而导致高速射流由射流孔向外喷出。在脉冲间隔阶段，外界空气被重新吸入腔内，并与残余的高温气体混合，为下一次脉冲做准备。等离子体合成射流激励器不但保留了传统合成射流装置的无活动部件、净质量流量为零的特点，还具有结构简单、尺寸小、响应时间短等优势，可以在极短的时间内产生高频、高速的脉冲射流，逐渐在高超声速流动控制方面得到应用。

当前，等离子体合成射流激励器在激波控制、流动分离抑制和减阻等领域均展现了良好的应用前景，但是在飞行器姿态调控方面，传统的等离子体合成射流激励器受到腔体尺寸和放电电压的限制，产生的射流不能满足飞行器姿态调控的需求，迫切需要探究提升其性能的方法。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器，能够提供飞行器姿态调控的大扭矩，且具有较强的流动控制效果。

技术方案：用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器，包括激励器本体以及电极结构；所述激励器本体包括腔体，以及与所述腔体连通的射流孔；所述射流孔的孔壁上设有绝缘介质层；所述电极结构包括嵌入所述腔体的第一电极组，以及位于所述射流孔处的第二电极组；所述第二电极组由裸露电极和埋藏电极组成，所述裸露电极半埋于所述绝缘介质层表面，所述埋藏电极包裹于所述绝缘介质层内，所述裸露电极和埋藏电极被所述绝缘介质层隔开；所述第一电极组外接直流脉冲电源，所述第二电极组外接直流或交流脉冲电源，并控制所述第二电极组的放电频率与激励器的吸入阶段错峰进行。

进一步的，所述第一电极组由阴极针电极和阳极针电极组成，所述阴极针电极和阳极针电极的放电端分别相对的插入到所述腔体内；其中，所述阴极针电极与所述阳极针电极的放电端间距不大于4mm，所述射流孔的直径不小于2mm，所述射流孔的长度不小于10mm。

进一步的，片状的所述裸露电极和埋藏电极与所述射流孔的轴线平行设置，且相互错开不重叠；其中，所述裸露电极与所述埋藏电极的厚度在10μm~300μm之间，所述裸露电极与所述埋藏电极在所述射流孔径向方向上的间距不大于5mm。

进一步的，所述绝缘介质层的厚度小于2mm，所述绝缘介质层的相对介电常数为8~10。

进一步的，所述第一电极组连接的直流脉冲电源的供电电压、频率均可调，最大供电电压不小于5kV，脉冲宽度不小于100ns，最大调制频率不小于500Hz；所述第二电极组连接的脉冲电源的供电电压连续可调，频率可调，脉冲电源最大供电电压不小于3kV，最大调制频率不小于500Hz。

有益效果：1. 相较于传统等离子体合成射流激励器，本发明提出了一种复合型等离子体合成射流激励器，有效提升了传统激励器的性能，产生的力矩可以满足飞行器的姿态调控，尤其对于飞行器姿态调控时的大扭矩需求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。

2. 发明不破坏传统等离子体合成射流激励器的结构和特性，保留了传统等离子体合成射流激励器的所有优点，如体积小、重量轻、结构简单、响应迅速、无复杂气体供应装置。

附图说明

图1是本发明复合型等离子体合成射流激励器内部结构示意图；

图2是本发明复合型等离子体合成射流激励器实现飞行器姿态调控时的结构布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器，包括激励器本体1、阴极针电极3、阳极针电极4、绝缘介质层5、裸露电极6、埋藏电极7。

激励器本体1的材料一般选用具有良好绝缘性能和一定强度的材料，如陶瓷、聚四氟乙烯等，由一个腔体2，以及腔体2与外部环境连通的射流孔8构成。

激励器本体1的腔体2设有贯穿两侧侧壁的通孔，阴极针电极3插入并固定在通孔的一端，阳极针电极4插入并固定在通孔另一端，使得两个电极的放电端相对设置。射流孔8为圆柱型通孔，并与阴极针电极3、阳极针电极4垂直。

绝缘介质层5固定在射流孔8的孔壁内侧；片状的裸露电极6半埋于绝缘介质层5，埋藏电极7包裹于绝缘介质层5内，裸露电极6和埋藏电极7被绝缘介质层5隔开。

在一些实施例中，射流孔8的直径不小于2mm，长度不小于10mm；阴极针电极3与阳极针电极4的间距不大于4mm。阴极针电极3与阳极针电极4外接直流脉冲电源，脉冲电源供电电压连续可调，脉冲宽度可调，频率可调。脉冲电源最大供电电压不小于5kV，脉冲宽度不小于100ns，通过改变电压幅度及脉冲宽度实现射流性能的调控。最大调制频率不小于500Hz，根据实际工况适当增加放电频率以提升激励器的连续工作性能，同时需保证该放电频率小于当前饱和加热频率。

在一些实施例中，片状的裸露电极6和埋藏电极7与射流孔8轴线平行设置。片状的裸露电极6和埋藏电极7的数量可根据电极及射流孔8的尺寸等决定，且各裸露电极6和埋藏电极7在射流孔8轴向上均相互错开不重叠。绝缘介质层5的厚度小于2mm，相对介电常数为10；裸露电极6与埋藏电极7的在射流孔径向方向上的间距不大于5mm；裸露电极6与埋藏电极7的厚度在10μm~300μm之间。裸露电极6与埋藏电极7外接直流或交流脉冲电源，脉冲电源供电电压连续可调，频率可调，脉冲电源最大供电电压不小于3kV，最大调制频率不小于500Hz。通过控制本组电极的放电频率，使放电与激励器的吸入阶段错峰进行，以保证激励器整体的吸入效率。

工作时，腔体2两侧的针电极之间形成电弧，腔体内的气体被瞬间加热并流向射流孔8；同时，气体在射流孔8内的板状电极表面放电，产生的离子在电场的诱导下对气流进行二次加速，高速射流由射流出口向外喷出。即，裸露电极6和埋藏电极7之间形成的介质阻挡放电可以对阴极针电极3与阳极针电极4之间的电弧放电形成的射流进行二次加速，使得射流喷出产生的力矩更大，对于实现飞行器的姿态调控具有重大意义。

如图2所示，为本发明一种用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器在飞行器9上的布置方式。若干复合型等离子体合成射流激励器布置在飞行器9的内部，并布置在飞行器质心一侧，各单元间距为5mm，射流出口8的轴线均与飞行器9的表面垂直放置。射流喷出产生的反向作用力可以对飞行器施加偏转力矩，阵列激励器沿飞行器质心一侧的布置方式保证了力矩方向的一致性，从而实现飞行器的姿态调控。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于飞行器姿态调控的复合型等离子体合成射流激励器，其特征在于，包括激励器本体以及电极结构；

所述激励器本体包括腔体，以及与所述腔体连通的射流孔；所述射流孔的孔壁上设有绝缘介质层；

所述电极结构包括嵌入所述腔体的第一电极组，以及位于所述射流孔处的第二电极组；

所述第二电极组由裸露电极和埋藏电极组成，所述裸露电极半埋于所述绝缘介质层表面，所述埋藏电极包裹于所述绝缘介质层内，所述裸露电极和埋藏电极被所述绝缘介质层隔开；

所述第一电极组外接直流脉冲电源，所述第二电极组外接直流或交流脉冲电源，并控制所述第二电极组的放电频率与激励器的吸入阶段错峰进行。

2.根据权利要求1所述的复合型等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述第一电极组由阴极针电极和阳极针电极组成，所述阴极针电极和阳极针电极的放电端分别相对的插入到所述腔体内；其中，所述阴极针电极与所述阳极针电极的放电端间距不大于4mm，所述射流孔的直径不小于2mm，所述射流孔的长度不小于10mm。

3.根据权利要求1或2所述的复合型等离子体合成射流激励器，其特征在于，片状的所述裸露电极和埋藏电极与所述射流孔的轴线平行设置，且相互错开不重叠；其中，所述裸露电极与所述埋藏电极的厚度在10μm~300μm之间，所述裸露电极与所述埋藏电极在所述射流孔径向方向上的间距不大于5mm。

4.根据权利要求3所述的复合型等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度小于2mm，所述绝缘介质层的相对介电常数为8~10。

5.根据权利要求4所述的复合型等离子体合成射流激励器，其特征在于，所述第一电极组连接的直流脉冲电源的供电电压、频率均可调，最大供电电压不小于5kV，脉冲宽度不小于100ns，最大调制频率不小于500Hz；所述第二电极组连接的脉冲电源的供电电压连续可调，频率可调，脉冲电源最大供电电压不小于3kV，最大调制频率不小于500Hz。