线-铝箔电极电晕放电激励器的推力理论与实验研究

空气电晕放电离子风激励器无需旋转部件, 仅通过消耗电能就能直接产生驱动力, 它是一种新型的动力技术, 备受国内外航空航天界的广泛关注. 目前对空气电晕放电离子风激励器的推力产生机理虽有各种解释, 但是现有理论均不能统一各种条件下的实验结果, 仍需要开展进一步的分析与研究. 本文以线-铝箔电极电晕放电激励器为研究对象, 通过实验研究发现作用在线电极与铝箔电极上的静电力不对称, 而且改变铝箔电极纵向高度和气压均能影响激励器的推力大小; 通过理论分析, 考虑电晕层与空间电荷的影响, 建立了线-铝箔电极电晕放电激励器的推力计算模型, 其计算值与实测值比较一致. 基于上述实验现象与理论建模分析, 本文认为线-铝箔电极电晕放电激励器的推力主要来源于线电极电晕产生的空间电荷对电极系统产生了不对称静电力作用, 使激励器出现净静电力作用.     

低气压离子风推进器仿真与实验

离子风动力具有无需机械旋转部件、低功耗及低噪声等优点,在平流层飞艇和太阳能飞机上具有重要的应用潜力。模拟临近空间的低气压环境,采用“线-柱”电极结构电晕放电装置产生离子风,实验测量不同放电条件下离子风推进器产生的推力和推功比,研究了气压、放电电压、电极间隙对离子风动力的影响。仿真和实验结果表明,气压的降低会导致推进器推功比的下降,具体表现为：当电极间隙为2.0 cm,最大推功比由1 atm(1 atm=101 325 Pa)时的17.70 mN/W降低至0.02 atm时的0.24 mN/W;而推功比的损失可以通过增大电极间隙来补偿,当电极间隙增加至14 cm,在0.02 atm的气压环境下,推功比由0.24 mN/W升至0.70 mN/W。通过优化离子风推进器结构,增加电极间隙,离子风动力具备低气压环境下的应用潜力。     

板式离子风散热系统性能研究与优化

为探究板式离子风散热系统的性能和提供系统优化的新思路,提出一种针-平行板电极的板式离子风发生器,讨论针的位置、板间距、板厚等参数对风速和对流换热系数的影响,利用热红外成像仪分析板电极产生离子风时的温度分布以及焦耳热效应对热传递的影响。结果表明针电极距板外10 mm、板间距10 mm和板厚1.5 mm为优选方案,最大传热系数达25 W·m^-2·K^-1。     

电场对火焰形状及碳烟沉积特性的影响

建立了三种类型的直流电场分别作用于层流扩散火焰,研究了电场类型、电场强度对火焰形态及所产生的碳烟颗粒在电极上的沉积特性的影响.实验表明,针状电极由于离子风的作用会使火焰高度变短;平板状电极由于电场力的作用可使火焰顶部向阴极板倾斜,证明了有一部分碳烟颗粒本身荷正电.同时,由于环形电极同时产生离子风和电场力,影响火焰形态.而荷正电的中心电极对碳烟颗粒的排放起到抑制作用.     

水平动量注入型等离子体合成射流激励器工作特性

等离子体合成射流控制技术因其具有不需要外部气源、工作频带宽、射流速度高、射流净质量通量为零、低功耗、激励器形式多样、环境适应性强等特点,成为了目前针对高速流场主动流动控制技术中应用潜能大、有望实现实际工程应用突破的流动控制装置.传统的等离子体激励器的出口多为垂直于流向或与流向成一定夹角,故垂直于流向的动量分量会对激励器的流动控制能力产生影响.为增强流向动量注入能力,拟设计一种新型的水平动量注入型等离子体合成射流激励器.主要内容有:采用外部电路电参数测量与高速纹影技术,对激励器常压下单周期工作特性与重频工作特性进行了初步研究.对水平动量注入型等离子体合成射流激励器的射流结构进行了分析,探究了该激励器工作频率对射流流场的流场特性与控制能力的影响.最后在高速纹影测量的基础上,开展了激励器高频工作时均出口动压的研究.实验表明:水平动量注入型激励器单周期射流初始速度达到220 m/s,单周期激波初始速度达到477 m/s.此外,工作频率对于激励器的影响主要体现在对激励器控制范围的影响,当激励器工作频率增高时,在相同位置时激励器的动压输入能力下降.      

三电极共面介质阻挡放电的放电特性及诱导气流实验研究

等离子体流动控制激励器由于其响应速度快、激励频带宽、能量损耗低、可靠性强的优势,在航空航天领域的主动流动控制等方面得到了广泛应用.文章提出了一种新型的等离子体气动激励器——三电极共面介质阻挡放电激励器,研究了该激励器电极结构对放电特性和诱导气流速度的影响,并与传统共面介质阻挡放电和沿面介质阻挡放电激励器进行了比较.结果表明:（1）随着激励电压的提高,高压电极和地电极之间先出现了丝状放电并逐渐延伸到第三电极;（2）随着第三电极与高压电极之间的距离增大,诱导气流速率从2.4 m/s下降到0 m/s,而第三电极宽度的变动对诱导气流速度影响可忽略不计;（3）相同外部条件下,该激励器诱导的气流速度小于沿面介质阻挡放电激励器,但高于共面介质阻挡放电激励器.      

水下多针电极微秒脉冲流光放电特性

多针电极结构是实现大体积水下放电的基础性电极结构,研究其放电基本特性对其他大体积水下放电电极结构的设计具有重要参考意义.本文构建了一个可安装21根针的多针电极,利用四分幅超高速相机研究了单个脉冲放电过程中可能放电的针电极数目以及电极阵列边缘和内侧针电极放电形态的差异;采用COMSOL软件模拟计算了多针电极结构的电场分布,讨论了电场分布对多针电极放电的影响,研究了多针电极结构的放电能量效率.结果发现:在单个脉冲放电过程中, 21根针电极不是同时发生放电的,最大放电针电极数目随电压和针针间距的增大而增加.在同一个脉冲放电过程中,位于电极阵列边缘的针电极相比于位于阵列内侧的针电极产生的流光丝较长且偏离针电极轴线的偏角相对较大,这主要是针电极之间电场相互叠加干扰引起的.针针间距越小,针电极之间电场的相互叠加干扰越大,阵列边缘与内侧电极放电形态的差异越大,放电能量效率越低.     

石蜡液面离子风的研究

研究了常压空气中针-石蜡液面 50Hz 交流电晕放电离子风特性。交流电晕离子风能够引起液体石蜡 显著变形,随着电压升高,变形从漏斗状发展到盆状。在石蜡层厚度为 5mm 时,盆状变形最大,深度达到 5.3mm, 最大作用范围半径 18.8mm,变形产生的压强达到 48.9Pa,远远超过直流针-水电晕放电情况。随着电压升高,从 电晕放电过渡到流注放电时盆状变形依然存在,这一点明显不同于直流针-水电晕放电。研究表明交流电晕离子风 具有优良的驱动绝缘液体介质的巨大潜力。     

两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究

采用放电测量和高速阴影技术对两电极等离子体合成射流激励器工作特性进行了系统实验研究.实验表明:激励器工作击穿电压和放电峰值电流随激励器所处环境压强的降低和放电频率的增大而减小,激励器腔体内的放电过程为火花电弧放电.典型的等离子体合成射流流场包含有一道前驱激波和一股呈蘑菇状的高速射流.在整个射流发展过程中,前驱激波以当地声速恒速传播,不随激励器条件的改变而变化,波的强度则随着激励器出口直径的减小、腔体体积的增大、环境压强的降低和放电频率的升高而减小.激励器腔体体积和放电频率的增加会降低腔内气体的加热效果,并减小射流速度.激励器出口直径和环境压强对射流速度的影响按规律变化且存在最佳值.本文实各验条件下激励器都产生了明显的前驱激波和高速射流,具有实现高速流场主动流动控制的应用潜能.     

针-板和针-水电极大气压直流辉光放电的光谱特性

利用光谱学方法,对针-水电极和针-板电极直流辉光放电特性进行了比较研究。结果发现两种装置产生的放电都有明显的分区现象, 从阴极到阳极分别为负辉区、阴极暗区、正柱区和阳极辉区。针-板电极放电中可以清晰地观测到阳极暗区, 而针-水电极放电阳极暗区不明显。对比两种放电的伏安特性曲线,发现放电电压均随电流增大而减小,但相同电流下针-水电极间的电压大于针-板电极间的电压。由于伏安特性具有负斜率,且放电电流密度介于10-5～10-4 A·cm-2,说明两种装置中的放电均处于正常辉光放电阶段。在正常辉光放电的范围内比较两种放电的发射光谱, 发现发射光谱中都包含N₂的第二正带系(含波长为337.1 nm的谱线)和N+₂的第一负带系(含波长为391.4 nm的谱线),但相对强度不同。利用光谱学方法对放电发射谱的谱线强度比I_391.4／I_337.1和振动温度进行了空间分辨测量,发现相同位置处针-水电极放电的谱线强度比要比针-板电极放电的大,并且相同位置处针-水电极放电的振动温度高。     

永磁体结构对高温超导推力轴承静态特性的影响

基于商用电磁场有限元软件以及M e issner效应假设,提出了对由块状高温超导体和永磁体组成的高温超导推力轴承静态特性进行分析的方法,分析了永磁体的结构对高温超导推力轴承悬浮力的影响。结果发现:永磁体的结构及磁极排列方式对高温超导推力轴承悬浮力的影响很大,适当地选择永磁体的结构和磁极排列方式可以显著地提高高温超导推力轴承的悬浮力。     

Enhancement of thin air jets produced by ring-shaped dielectric barrier discharges using an auxiliary electrode

A ring-shaped dielectric barrier discharge (DBD) was explored as a small form factor ionic wind device. Using a concentric ring electrode geometry, the DBD produced a converging ionic wind that leads to a vertical flow away from the DBD electrodes. The vertical flow was channeled through an outlet nozzle to produce a thin air jet, and a grounded auxiliary electrode was placed at the nozzle to enhance the exit velocity. The inner diameter of the ring-shaped DBD electrode and the auxiliary electrode ranged 3.18–9.54 mm and 1.0–4.0 mm, respectively. Results showed that the auxiliary electrode generated an ionic wind velocity up to 3.7 m/s and increased the conversion efficiency from discharge to flow power by a factor of 30 by strengthening the electric field where the ions are accelerated.     

临近空间螺旋桨叶素非定常等离子体增效实验研究

基于等离子体诱导射流雷诺相似原则和螺旋桨叶素理论,开展了螺旋桨叶素地面风洞实验,比较了定常与非定常两种激励模式对螺旋桨拉力的影响,以及非定常模式下占空比、频率的影响。结果表明：相同电压幅值下,定常模式对螺旋桨拉力增效为9.8%,非定常模式对螺旋桨增效大于定常模式,非定常模式下最大增效 20.4%。螺旋桨桨叶相对半径在0.4 与0.85 之间时,非定常等离子体流动控制对螺旋桨叶素拉力增效较好,将等离子体激励器布置在桨叶相对半径0.4 与0.85 之间可提高能量利用率。相同重复频率下,螺旋桨增效随着占空比的减小而增大,占空比为10%时,增效最大。相同占空比下,重复频率存在一个最优值,频率为30Hz 时,等离子体对螺旋桨的增效最大。     

基于PVDF传感器的单脉冲激光推力加载过程研究

 利用高频响应材料PVDF作为敏感元件，建立了一套单脉冲瞬态推力测试系统，并用37 mm分离式Hopkinson压杆装置对该测试系统进行动态标定。标定结果显示，在0~150 MPa范围内，PVDF传感器（5 mm×5 mm）的压电特性呈线性，动态压电系数经线性拟合后为20 pC/N。用所建推力测试系统获得了单脉冲激光作用下，旋转抛物形激光推力器的推力加载曲线，并对该曲线形成多个峰值的原因进行了分析。实验结果表明，该系统可以捕获激光推力器脉冲推力加载特征。     

�ٽ��ռ�������Ҷ�طǶ�������������Чʵ���о�

Based on Reynolds similar principles of plasma-induced jet and propeller blade element theory, experiment of propeller blade element wind tunnel was conducted. The effects of constant and unsteady model were compared, effect of different duty cycle and the frequency in unsteady model were studied. The results showed that: at the same voltage, the enhancement of propeller thrust was 9.8% by steady mode, unsteady mode was greater than the steady mode in enhancement of propeller thrust, the enhancement up to 20.4% in unsteady mode. The thrust enhancement of propeller blade elements by plasma was obvious with relative radius between 0.4 and 0.85, in order to improve energy efficiency, plasma actuator could be arranged between blade relative radius of 0.4 and 0.85. At the same frequency, enhancement of propeller thrust increased with duty cycle decreasing, and in duty cycle of 10%, the enhancement was greatest. At the same duty cycle, there existed an optimal frequency, it was 30Hz in which plasma enhanced propeller thrust the most.     

Prediction and experimental measurement of the electromagnetic thrust generated by a microwave thruster system

A microwave thruster system that can convert microwave power directly to thrust without a gas propellant is developed. In the system, a cylindrical tapered resonance cavity and a magnetron microwave source are used respectively as the thruster cavity and the energy source to generate the electromagnetic wave. The wave is radiated into and then reflected from the cavity to form a pure standing wave with non-uniform electromagnetic pressure distribution. Consequently, a net electromagnetic thrust exerted on the axis of the thruster cavity appears, which is demonstrated through theoretical calculation based on the electromagnetic theory. The net electromagnetic thrust is also experimentally measured in the range from 70 mN to 720 mN when the microwave output power is from 80 W to 2500 W.     

Testing of solid fuel ramjet with measurement of thrust characteristics in aerodynamic facilities

A design of an axisymmetric solid fuel ramjet consisting of a multi wedges nose air intake, solid fuel gas gene-rator, combustion chamber, and a nozzle, was developed. According to this design, a ramjet model for tests in the ground wind-tunnel facilities was fabricated. Experiments with solid fuel combustion were carried out in the Transit-M and T-313 wind tunnels, ITAM SB RAS, at air-flow Mach numbers М = 2.5?5.0. High values of the internal and net excess thrust were obtained.     

无工质微波推力器推力测量实验

基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置-----无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、 微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80---2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70---720 mN范围内, 测量总误差小于12%.