纳秒脉冲等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究

针对脉冲爆震发动机的DDT距离、时间较长，起爆成功率低等问题，提出将纳秒脉冲等离子体点火技术应用于脉冲爆震发动机爆震起爆的应用基础研究。项目通过理论分析、数值仿真和实验相结合的研究方法，首先开展纳秒脉冲等离子体点火器的放电特性研究，采用高时间分辨的放电电压-电流、发光图像和发射光谱测试手段，研究其在地面大气条件下的放电机理，掌握纳秒脉冲等离子体点火器的点火机理和控制方法。建立纳秒脉冲等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的动力学仿真模型，揭示纳秒脉冲等离子体点火的机理和起爆脉冲爆震发动机的物理化学本质。在以上的研究基础上，开展纳秒脉冲等离子体点火起爆脉冲爆震发动机爆震波的实验研究，并进一步研究缩短脉冲爆震发动机的DDT距离和时间、提高起爆成功率的影响规律。项目研究成果为极具研究价值的纳秒脉冲等离子体点火技术和脉冲爆震发动机的早日工程应用提供技术支撑。

等离子体点火技术是能源与动力领域的研究热点。本项目研究了纳秒脉冲等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用。本项目主要研究工作包括：①设计了三种形式的等离子体点火器：环形等离子体点火器、碟形等离子体点火器和圆柱等离子体点火器，研究了不同电压、点火器结构尺寸、气体压力条件下的放电特性，得到了点火器在不同条件下的放电特性变化规律；②基于非平衡等离子体放电理论，建立了等离子体点火放电的仿真模型，仿真计算了空气、甲烷/空气混合气条件下纳秒脉冲放电等离子体的演化特性，研究了电子数浓度、约化场强、初始温度和压力变化对活性粒子浓度演化规律的影响，仿真得到了等离子体放电流注的形成过程，同时等离子体放电过程会产生大量的活性粒子，活性粒子数量达到了引起燃烧化学反应的数量级；③针对等离子体点火器起爆脉冲爆震发动机，以甲烷/空气混合气为燃料，对等离子体点火和普通火花塞点火的爆震起爆过程进行了二维数值模拟研究，采用等离子体点火起爆过程引发爆震所需的DDT时间和距离比火花塞点火起爆过程缩短了64%和22%，这有利于缩短脉冲爆震发动机的爆震管长度和循环时间，从而提高循环频率。④通过试验对比研究了纳秒脉冲环形等离子点火、圆柱等离子体、碟形等离子体和火花塞点火起爆脉冲爆震发动机，设计的等离子体点火器均能够起爆脉冲爆震发动机，而且提高了爆震室的压力、缩短点火起爆时间并提高起爆成功率；在小流量条件下，与火花塞点火器相比较，纳秒脉冲等离子体点火能够有效提高平均峰值压力37.04%，缩短点火起爆时间35.57%。等离子体点火能够有效提高脉冲爆震发动机的关键性能参数，如起爆峰值压力、点火起爆时间和起爆成功率，这为缩短脉冲爆震发动机的长度、提高脉冲爆震发动机的推力、工作频率和可靠性奠定了基础。