纳秒脉冲放电在超声速气流中产生导电流体的机理研究

The research on new concept hypersonic Magnetohydrodynamic （MHD）combined propulsion system has become one of the hot topics on the field of aeronautic and astronautic all over the world. Its core dynamic process is to change the thermodynamics parameters of air flow with MHD power generation, through which the temperature and velocity of air are reduced when it flow into the engine. The key technology and problem of MHD power generation is the creation of high conductivity airflow. The creation of conductive airflow is based on the ionization of air, the generally adopted ionization method includes the equilibrium ionization and nonequilibrium ionization. Restricted by the flight conditions, the enough conductivity can not be acquired through equilibrium ionization, so the nonequilibrium ionization must be adopted. In this project the nanosecond pulsed discharge is taken to ionize the supersonic flow, the subjects planned to be researched are listed as follows: 1. the characteristic and mechanisms of nanosecond pulsed discharge in supersonic flow with magnetic field, 2. the influence of supersonic flow parameters on the nanosecond pulsed discharge, 3. the influence of plasma generated by nanosecond pulsed discharge on the supersonic flow in the magnetic field. The subjects mentioned above are believed to help investigate the effective approaches on creating conductive flow and lay a foundation for the application of MHD technology on the propulsion system of hypersonic vehicle.

新概念高超声速磁流体组合动力装置已成为国际上航空航天领域的研究热点，其核心的动力学过程是通过磁流体发电改变气流的热力学性能参数，使进入发动机的气流温度、速度降低，实现发动机在大马赫数条件下的工作，而如何产生高电离率的导电流体是磁流体发电的关键技术和难点。产生导电流体需要使气体电离，目前可用的电离方式主要有平衡电离和非平衡电离两种，由于飞行环境的制约，气体在低温环境下很难通过平衡电离获得足够的电导率，因此超声速气流的电离必须采用非平衡电离。本项目提出采用纳秒脉冲放电对超声速气流进行电离，主要进行：（1）磁场作用下超声速气流中纳秒脉冲放电特性与机理研究：（2）超声速气流参数变化对纳秒脉冲放电影响规律的研究：（3）纳秒脉冲放电等离子体在电磁场作用下对超声速气流的影响研究。以此获得扩展导电流体产生的有效途径和方法，为磁流体技术在高超声速飞行器推进系统中的应用打下基础。

高超声速磁流体组合动力装置的核心动力学过程是通过磁流体发电改变气流的热力学性能参数，而如何产生高电离率的导电流体是磁流体发电的关键技术和难点。.研制了超声速纳秒脉冲介质阻挡放电实验系统，在Ma3超声速条件下对气体实现了电离，研究发现放电气体被击穿与电场强度有关，着火电压受超声速气流密度影响显著。通过对放电发射光谱的综合测试诊断，得到了不同气压、占空比和加载功率下放电等离子体的发射光谱特性。开展了纳秒脉冲针-板放电数值模拟，得到了放电微观发展过程，放电时针尖处电子数密度达到2.55×1019m-3。研究了磁感应强度对超声速气流放电的影响，磁感应强度的增大会抑制电弧放电，并使稳定放电时的电压升高、电流降低、空间放电更加均匀，但击穿电压将升高。.开展了纳秒脉冲针-板电极放电实验，得到了极间距离、气压、温度、针的数量和放电频率对纳秒脉冲放电的影响规律。电极间距离是低气压下产生电晕放电的决定性条件，距离越大、气压越高越容易产生电晕放电；温度可以有效影响放电形态，温度的升高有利于放电的发生；增加针的数量，可以改善放电的均匀性，但是降低放电强度；增大放电频率，辉光变强，放电特性得以改善。通过数值模拟研究了不同气压条件下电子数密度分布情况以及鞘层的变化，气压的升高会使得阴极鞘层变薄，放电通道向中心轴线收缩，放电通道变窄，阴极板上的辉光也会向中心收缩。.开展了超声速非平衡电离磁流体流动控制试验和数值模拟研究。在磁场约束下，Ma3.5流场中电导率达到0.015S/m，磁流体加速时静压升高了130Pa，减速时静压升高了200Pa；增大等离子体电导率，流场出口马赫数随之增大，当电导率上升至0.4S/m时，实现磁流体加速作用；增大磁感应强度，出口马赫数也随之增大。开展了超声速边界层电磁式强制转捩实验研究，在放电功率70W时，实现了边界层湍流度的增强。. 采用纳秒脉冲放电的方式扩展了导电流体产生的有效途径和方法，为磁流体技术在高超声速飞行器推进系统中的应用打下基础。