本發(fā)明涉及等離子體流動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置。

背景技術(shù)：

與飛機(jī)或衛(wèi)星相比，臨近空間飛艇具有地面覆蓋范圍廣、滯空時(shí)間長、快速響應(yīng)能力強(qiáng)、制造及運(yùn)行成本低、可重復(fù)使用、升級(jí)換代快、運(yùn)行特性好等諸多優(yōu)勢，具有重要的軍事應(yīng)用前景。因此，對(duì)臨近空間飛艇的研制具有很高的緊迫性。飛艇的飛行阻力每減少1％，有效載荷約可增加10％，可以大大提高飛行器的飛行速度、增大航程，增加飛艇的滯空時(shí)間。

等離子體流動(dòng)控制是一種新的流動(dòng)控制技術(shù)，近年來已成為國際上空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)熱力學(xué)領(lǐng)域新興的重要研究熱點(diǎn)。等離子體流動(dòng)控制的主要特點(diǎn)是：等離子體氣動(dòng)激勵(lì)是電場力作用，沒有運(yùn)動(dòng)部件、響應(yīng)迅速、作用頻帶寬、便于實(shí)時(shí)控制、結(jié)構(gòu)簡單、能耗較低等。等離子體是指氣體在高能電磁激勵(lì)下發(fā)生電離，產(chǎn)生的電子與離子共存并高速運(yùn)動(dòng)的一種物質(zhì)存在狀態(tài)，是區(qū)別于傳統(tǒng)固體、液體和氣體的第四類物質(zhì)聚集態(tài)。在外加電場或自激勵(lì)電場的作用下，等離子體中的電子和離子在電場中做定向運(yùn)動(dòng)，與中性粒子發(fā)生碰撞，并將自身動(dòng)量、能量傳輸給周圍空氣，從而使得暴露電極附近的空氣產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，形成誘導(dǎo)氣流。等離子體流動(dòng)控制的基本原理主要是利用誘導(dǎo)氣流與飛行器邊界層的相互作用，控制邊界層分離、抑制層流--湍流轉(zhuǎn)捩等，達(dá)到增升減阻等提高飛行器氣動(dòng)性能的目的。

目前，在等離子體流動(dòng)控制技術(shù)中常采用的表面直流電暈放電、大氣壓均勻輝光放電、表面介質(zhì)阻擋放電等方法，無一例外存在所產(chǎn)生等離子體的強(qiáng)度、區(qū)域有限的缺點(diǎn)，無法滿足臨近空間飛艇艇身大表面積減阻的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：相比于現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置，通過表面波激發(fā)等離子體在電極電場的作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流，實(shí)現(xiàn)臨近空間飛艇艇身大面積減阻流動(dòng)控制。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置，包括：若干個(gè)減阻單元、導(dǎo)線、直流電源、第三絕緣層、微波發(fā)生器和第一波導(dǎo)；其中，所述減阻單元包括狹縫天線、石英玻璃板、金屬膜、第一絕緣層、第二絕緣層、第一電極、第二電極和第二波導(dǎo)，其中，金屬膜鍍?cè)O(shè)于石英玻璃板的下表面、左側(cè)面和右側(cè)面；鍍?cè)O(shè)于石英玻璃板的下表面的金屬膜開設(shè)有縫隙，狹縫天線嵌設(shè)于所述縫隙內(nèi)；第一絕緣層包設(shè)于左側(cè)面的金屬膜；第二絕緣層包設(shè)于右側(cè)面的金屬膜；第一電極與第一絕緣層相連接；第二電極與第二絕緣層相連接；第二波導(dǎo)的一表面與狹縫天線相連接；第一電極通過導(dǎo)線與直流電源相連接，第二電極通過導(dǎo)線與直流電源相連接；各減阻單元通過第三絕緣層依次相連接；第一波導(dǎo)與第二波導(dǎo)相連接；微波發(fā)生器與第一波導(dǎo)相連接。

上述用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置中，狹縫天線位于所述石英玻璃板的下表面的中心線。

上述用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置中，第二波導(dǎo)的長度方向與狹縫天線的長度方向相平行。

上述用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置中，微波發(fā)生器發(fā)射的微波為TE模，微波電場偏振方向與狹縫天線平行。

上述用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置中，微波電場場強(qiáng)為E＝2×36.84p(1+ω²/ν²)^1/2，其中，p為環(huán)境大氣壓，ω為微波頻率，ν為電離頻率。

上述用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置中，所述石英玻璃板的寬度為微波波長的8倍，厚度為微波波長的0.4倍。

上述用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置中，第一波導(dǎo)的軸向與第二波導(dǎo)的軸向相互垂直。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過在石英玻璃板下方狹縫天線發(fā)射微波，在石英玻璃板表面形成大面積均勻的表面波，進(jìn)而激發(fā)表面波等離子體，具有產(chǎn)生等離子體密度高、平面大面積均勻、高度放電穩(wěn)定和處理過程可重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)；

(2)本發(fā)明利用通有直流電的電極在表面附件形成電場，通過等離子體在電場誘導(dǎo)下的定向運(yùn)動(dòng)，在更大的范圍內(nèi)起到控制流動(dòng)分離、減小飛艇阻力的作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置在飛艇表面的布置示意圖。

圖3是本發(fā)明的用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置減阻單元拼接方式示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

圖1是本發(fā)明的用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置包括：減阻單元、導(dǎo)線4、直流電源5、第三絕緣層73、微波發(fā)生器8和第一波導(dǎo)91。其中，

減阻單元包括狹縫天線1、石英玻璃板2、金屬膜3、第一絕緣層71、第二絕緣層72、第一電極61、第二電極62和第二波導(dǎo)92，其中，金屬膜3鍍?cè)O(shè)于石英玻璃板2的下表面、左側(cè)面和右側(cè)面；鍍?cè)O(shè)于石英玻璃板2的下表面的金屬膜3開設(shè)有縫隙，狹縫天線1嵌設(shè)于該縫隙內(nèi)；第一絕緣層71包設(shè)于左側(cè)面的金屬膜3的外側(cè)；第二絕緣層72包設(shè)于右側(cè)面的金屬膜3的外側(cè)；第一電極61與第一絕緣層71相連接；第二電極62與第二絕緣層72相連接；第二波導(dǎo)92的一表面與狹縫天線1相連接；第一電極61通過導(dǎo)線4與直流電源5相連接，第二電極62通過導(dǎo)線4與直流電源5相連接。具體實(shí)施時(shí)，如圖1所示，石英玻璃板2的下表面、左側(cè)面和右側(cè)面三個(gè)表面上都鍍有金屬膜3，其中，下表面的金屬膜3開設(shè)有與狹縫天線1寬度相等的縫隙，狹縫天線1嵌在金屬膜3的縫隙內(nèi)。第一絕緣層71將石英玻璃板2的左側(cè)面的金屬膜3包裹起來，第二絕緣層72將石英玻璃板2的右側(cè)面的金屬膜3包裹起來，從而起到絕緣的作用。第一電極61通過導(dǎo)線4與直流電源5的右端相連接，第二電極62通過導(dǎo)線4與直流電源5的左端相連接。需要說明的是，第一電極與第一絕緣層的連接方式有多種，連接的所有方式都在本實(shí)施例保護(hù)的范圍內(nèi)。第二電極與第二絕緣層的連接方式有多種，連接的所有方式都在本實(shí)施例保護(hù)的范圍內(nèi)。

第一波導(dǎo)91與第二波導(dǎo)92相連接。具體的，如圖1所示，第一波導(dǎo)91的軸向與第二波導(dǎo)92的軸向相互垂直。各個(gè)第一波導(dǎo)91相互平行。

微波發(fā)生器8與第一波導(dǎo)91相連接。

本實(shí)施例的工作原理：微波發(fā)生器8發(fā)射微波，微波由第一波導(dǎo)91和第二波導(dǎo)92引到石英玻璃板2處，第二波導(dǎo)92將開有狹縫的波導(dǎo)面直接貼到石英玻璃板2上，微波就通過狹縫天線1耦合發(fā)射到石英玻璃板2外側(cè)的大氣中。從石英玻璃板2內(nèi)部入射到大氣的電磁波中，入射角θi<θc(θc為電磁波被介質(zhì)界面反射的臨界入射角)的那部分電磁波，可通過狹縫穿過石英玻璃板2進(jìn)入大氣；入射角θi>θc(θc為電磁波被介質(zhì)界面反射的臨界入射角)的另一部分電磁波在石英玻璃板界面處被全反射,以表面波的形式在石英玻璃板內(nèi)往四周傳輸，其能量被約束在界面兩邊很薄的平面區(qū)域內(nèi)，場強(qiáng)往界面法向兩邊指數(shù)衰減，稱為表面波。如果入射電磁波的功率足夠大,在電磁波沿界面?zhèn)鬏數(shù)酱髿馓幍膹?qiáng)度還足夠強(qiáng)，足以維持高密度等離子體(10¹²cm^-3)時(shí)，在一定的氣壓、天線形狀下，平面大面積均勻的高密度等離子體即可產(chǎn)生。

石英玻璃板兩側(cè)的第一電極61與第二電極62分別通過導(dǎo)線4連接到直流電源5的兩端。在直流電的作用下，第一電極61與第二電極62之間產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的外加電場。外加電場的方向與微波電場及狹縫天線的方向垂直，從第一電極指向第二電極。由于微波電場是快速交變的，其對(duì)等離子體的穩(wěn)態(tài)作用力相互抵消，而外加電場是穩(wěn)定的，等離子體中的電子和離子在外加電場中做定向運(yùn)動(dòng)，與中性粒子發(fā)生碰撞，并將自身動(dòng)量、能量傳輸給周圍空氣，從而使得減阻單元表面附近的空氣產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，形成誘導(dǎo)氣流。利用誘導(dǎo)氣流與飛行器邊界層的相互作用，控制邊界層分離、抑制層流--湍流轉(zhuǎn)捩等，達(dá)到減阻的目的。

上述實(shí)施例中，減阻單元的數(shù)量為若干個(gè)，若干個(gè)減阻單元中的石英玻璃板2依次相連接。圖1示出的減阻單元的數(shù)量為三個(gè)，相應(yīng)的，有三個(gè)石英玻璃板2，左邊的石英玻璃板的右端與中間的石英玻璃板的左端相連接，中間的石英玻璃板的右端與右邊的石英玻璃板的左端相連接。需要說明的是，各石英玻璃板連接的方式有多種，連接的所有方式都在本實(shí)施例保護(hù)的范圍內(nèi)。

進(jìn)一步的，各個(gè)石英玻璃板2的大小相等。具體的，各個(gè)石英玻璃板2的寬度、長度和厚度均相等。

上述實(shí)施例中，狹縫天線1位于石英玻璃板2的下表面的中心線。具體的，狹縫天線1位于石英玻璃板2下表面的中心線上，在與飛艇飛行方向垂直的方向橫貫石英玻璃板2。狹縫天線1另一側(cè)貼在第二波導(dǎo)92的上表面，進(jìn)一步的，第二波導(dǎo)92的長度方向與狹縫天線1的長度方向相平行。

上述實(shí)施例中，微波發(fā)生器8發(fā)射的微波為TE模，微波電場偏振方向與狹縫天線1平行。微波電場場強(qiáng)為E＝2×36.84p(1+ω²/ν²)^1/2，其中，p為環(huán)境大氣壓，ω為微波頻率，ν為電離頻率。

上述實(shí)施例中，石英玻璃板2的寬度為微波波長的8倍，厚度為微波波長的0.4倍。當(dāng)采用24GHz的微波時(shí)，石英玻璃板寬度為0.1m，厚度為0.005m。

圖2是本發(fā)明的用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置在飛艇表面的布置示意圖。如圖2所示，石英玻璃板2連同其內(nèi)側(cè)覆蓋的金屬膜3與狹縫天線1共同組成減阻單元，在飛艇靠近尾部的表面鋪設(shè)。鋪設(shè)范圍為：沿飛艇長度方向1～2m，圍繞飛艇周向一周。大小相等的減阻單元依次排列，裝有狹縫天線1的一面貼在飛艇艇身外側(cè)，另一面裸露在空氣中。第一電極61和第二電極62貼在飛艇艇身外側(cè)，第一電極61和第二電極62分別通過導(dǎo)線4連接在直流電源5上。導(dǎo)線4、直流電源5、微波發(fā)生器8、第一波導(dǎo)91和第二波導(dǎo)92安裝在飛艇艇身內(nèi)部。

圖3是本發(fā)明的用于臨近空間飛艇減阻的等離子體流動(dòng)控制裝置減阻單元拼接方式示意圖。如圖3所示，第一絕緣層71設(shè)置于石英玻璃板2的上游，使得石英玻璃板2與第一電極61絕緣。第二絕緣層72設(shè)置于石英玻璃板2的下游，使得石英玻璃板2與第二電極62絕緣。相鄰的兩個(gè)減阻單元通過第三絕緣層73相連接，具體的，左邊的減阻單元的第二電極62與第三絕緣層73相連接，左邊的減阻單元的第一電極61與第三絕緣層73相連接。從而通過第三絕緣層73保證相鄰的兩個(gè)減阻單元絕緣。

本發(fā)明通過在石英玻璃板下方狹縫天線發(fā)射微波，在石英玻璃板表面形成大面積均勻的表面波，進(jìn)而激發(fā)表面波等離子體，具有產(chǎn)生等離子體密度高、平面大面積均勻、高度放電穩(wěn)定和處理過程可重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)；并且本發(fā)明利用通有直流電的電極在表面附件形成電場，通過等離子體在電場誘導(dǎo)下的定向運(yùn)動(dòng)，在更大的范圍內(nèi)起到控制流動(dòng)分離、減小飛艇阻力的作用。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。