利用等離子體控制飛行器表面流場、改善動(dòng)力系統(tǒng)點(diǎn)火與燃燒性能已經(jīng)有比較長的歷史，即使對(duì)于近年來的研究熱點(diǎn)-表面介質(zhì)阻擋放電等離子體流動(dòng)控制而言，從其提出到現(xiàn)在也已過去20多年，但一直難以獲得突破性進(jìn)展，這與等離子體、流動(dòng)、燃燒三者的復(fù)雜性有密切關(guān)系，具有明顯的多場耦合、多學(xué)科交叉特點(diǎn)，給仿真、實(shí)驗(yàn)帶來很大的挑戰(zhàn)。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，等離子體流動(dòng)控制、點(diǎn)火助燃也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，作者對(duì)十余年來的工作進(jìn)行總結(jié)，希望能夠拋磚引玉，促進(jìn)我國在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

本書分為等離子體流動(dòng)控制、點(diǎn)火助燃兩個(gè)方面。首先，采用雙流體模型、三流體模型以及帶磁場的流體模型對(duì)表面介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行了數(shù)值模擬，從等離子體流動(dòng)控制的源頭，也就是等離子體本身出發(fā)，分析并解釋了等離子體控制流動(dòng)的一些機(jī)理：驗(yàn)證了Enloe等人提出的等離子體體積力“推-拉”機(jī)制，并將其進(jìn)一步區(qū)分為時(shí)間和空間兩個(gè)維度的“推-拉”機(jī)制；證明了Roth教授提出的“離子捕獲”機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出對(duì)于高壓交流激勵(lì)的等離子體來說，其最終產(chǎn)生單向體積力的原因在于“正離子被捕獲，而電場不對(duì)稱”；不過當(dāng)有負(fù)離子產(chǎn)生時(shí)，情況就有所不同，負(fù)離子在整個(gè)放電周期內(nèi)發(fā)生很大變化，并不符合“捕獲”機(jī)制，此時(shí)產(chǎn)生單向體積力的機(jī)制還有待進(jìn)一步討論，負(fù)離子的動(dòng)量傳遞效率比正離子高得多，這一點(diǎn)提示我們?cè)谠O(shè)計(jì)激勵(lì)波形時(shí)需要重點(diǎn)考慮負(fù)離子；磁場對(duì)放電過程并沒有造成明顯的有利影響；納秒脈沖放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生“虛擬陽極”。進(jìn)一步分析了激勵(lì)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、電源參數(shù)對(duì)放電的影響，獲得了一些有價(jià)值的結(jié)論。

總的來說，采用流體力學(xué)模型計(jì)算表面介質(zhì)阻擋放電具有較高的理論價(jià)值，值得大家進(jìn)一步發(fā)展、應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，將等離子體體積力進(jìn)行時(shí)間平均后作為空氣動(dòng)力學(xué)控制方程的源項(xiàng)進(jìn)一步計(jì)算，分析空氣對(duì)等離子體的響應(yīng)，表明納秒脈沖放電等離子體在地面時(shí)表現(xiàn)為“點(diǎn)爆炸”，而在臨近空間則表現(xiàn)為“面爆炸”，等離子體激勵(lì)器必須安裝在接近或位于翼型流動(dòng)的起始分離區(qū)。上述這種先進(jìn)行等離子體放電計(jì)算，再將等離子體體積力作為源項(xiàng)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的方法，被稱為松耦合模擬方法。

其次，介紹了等離子體流動(dòng)控制唯像學(xué)模擬的常用模型。唯像學(xué)模擬的優(yōu)勢在于計(jì)算成本低，它不考慮放電過程，只假設(shè)或者采用某種近似方法獲得等離子體產(chǎn)生的體積力、熱功率，然后同樣將其作為空氣動(dòng)力學(xué)控制方程的源項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，其關(guān)注對(duì)象為空氣對(duì)等離子體的響應(yīng)，主要研究流動(dòng)控制的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理。在本書中，首先介紹了用于交流激勵(lì)表面介質(zhì)阻擋放電等離子體體積力模擬的兩種模型：電荷密度均勻分布模型、基于德拜長度的電荷密度模型，后者是當(dāng)前唯像學(xué)仿真的主要方法，我們使用該方法研究了等離子體對(duì)臨近空間螺旋槳表面流場的控制作用，探討了等離子體的作用機(jī)理。然后介紹了用于模擬電弧放電熱效應(yīng)的爆炸絲傳熱模型，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)等離子體僅能將約10%的熱能傳遞給周圍空氣。第三，介紹了用于納秒脈沖激勵(lì)表面介質(zhì)阻擋放電的兩類唯像學(xué)模型：溫度/壓力均勻分布模型、高斯溫度分布模型，驗(yàn)證結(jié)果表明采用點(diǎn)源 面源的溫度/壓力模型進(jìn)行模擬比較合適，高斯溫度分布模型則比較簡單，準(zhǔn)確性也比較好，在我們的研究中也得到了較為廣泛的應(yīng)用。最后，簡單介紹了集總參數(shù)模型，該模型應(yīng)用很少，大家可以不考慮。

第三部分介紹了我們開展的一些等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究工作。由于等離子體產(chǎn)生的誘導(dǎo)射流速度較低，控制高速、高雷諾數(shù)流動(dòng)的能力嚴(yán)重不足，我們將研究對(duì)象確定為臨近空間飛行器。臨近空間是指距離地面20-100千米的空域，該空域的空氣密度非常低，因此對(duì)于平流層飛艇、高高空無人機(jī)這類大型飛行器來說，其仍屬于低雷諾數(shù)飛行器范疇，等離子體具有非常好的控制效果。大家知道，氣體壓力是影響放電的關(guān)鍵因素，而臨近空間與地面的空氣壓力有很大差別，那么在地面環(huán)境中研究臨近空間等離子體流動(dòng)控制首先必須解決的一個(gè)問題就是等離子體的相似準(zhǔn)則，我們分別從空氣動(dòng)力學(xué)的動(dòng)量方程、能量方程出發(fā)，采取一些必要的簡化假設(shè)后，通過理論推導(dǎo)方法獲得了等離子體體積力、熱功率的相似準(zhǔn)則。當(dāng)然，由于進(jìn)行了簡化，這些相似準(zhǔn)則還需要進(jìn)一步修正來加以完善。

利用這些相似準(zhǔn)則，我們提出了在地面風(fēng)洞中開展臨近空間飛行器翼型、螺旋槳等離子體流動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)方法，其核心在于尋找一個(gè)模擬等離子體激勵(lì)器，該激勵(lì)器在特定激勵(lì)條件下與臨近空間真實(shí)激勵(lì)器產(chǎn)生的誘導(dǎo)射流滿足相似參數(shù)相等；其難點(diǎn)在于如何測量臨近空間真實(shí)激勵(lì)器產(chǎn)生的誘導(dǎo)射流，為此，我們開展了大量探索性實(shí)驗(yàn)，最終選擇“示蹤粒子沉積在真空艙壁面，氣體高速?zèng)_擊攜帶”的方法實(shí)現(xiàn)了示蹤粒子的播撒，完成了誘導(dǎo)射流的激光粒子圖像測速。利用該技術(shù)，我們獲得了1.0 kPa下（空氣密度接近32千米高空大氣）的等離子體誘導(dǎo)射流，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著氣壓變化，等離子體誘導(dǎo)射流結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，比如高壓交流激勵(lì)時(shí)具有壁面切向射流、復(fù)合流場、渦形流場三類。在獲得臨近空間等離子體誘導(dǎo)射流特征后，開展了臨近空間低雷諾數(shù)翼型、螺旋槳的等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)翼型攻角大于6°時(shí)，升力系數(shù)增大27％～43％；螺旋槳推力增大6.5％～11％。等離子體流動(dòng)控制技術(shù)在臨近空間低速飛行器上具有很好的應(yīng)用前景。

最后，介紹了我們?cè)诘入x子體點(diǎn)火與輔助燃燒方面做的一些仿真研究工作。一是采用唯像學(xué)方法研究了等離子體對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料噴流、凹腔流場的控制效果，發(fā)現(xiàn)在燃燒流場中，等離子體向下游燃料射流傳遞熱量，進(jìn)而改變了整個(gè)流場溫度分布；等離子體雖然顯著提高了燃燒效率，但同時(shí)增大了燃燒室總壓損失，還需要進(jìn)一步優(yōu)化激勵(lì)參數(shù)，以獲得較高的燃燒效率與盡可能高的總壓恢復(fù)系數(shù)；等離子體能預(yù)熱凹腔，使得凹腔阻力和質(zhì)量交換率增大，并且增加激勵(lì)器數(shù)目、采用脈沖控制方式會(huì)提高控制效果。二是采用松耦合方法唯像學(xué)模型相結(jié)合的方法研究了等離子體輔助爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起爆，目的是縮短起爆距離；松耦合方法用于研究等離子體活性基團(tuán)的助燃作用，唯像學(xué)模型用于研究等離子體點(diǎn)火性能；與等離子體流動(dòng)控制松耦合模擬方法類似，這里的松耦合模擬方法同樣先采用流體力學(xué)模型計(jì)算混合氣中等離子體放電過程，獲得相關(guān)組分的時(shí)空分布特性，然后將其作為爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制方程的初始條件進(jìn)行計(jì)算，從而獲得不同活性基團(tuán)對(duì)起爆、燃燒過程的影響；唯像學(xué)模型是對(duì)等離子體熱效應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，與等離子體流動(dòng)控制的唯像學(xué)模型基本相同；這項(xiàng)研究中，重難點(diǎn)在于多組分、多步反應(yīng)的等離子體放電過程計(jì)算，方程組剛性較強(qiáng)，需要慎重選擇反應(yīng)種類以及計(jì)算格式；計(jì)算結(jié)果表明等離子體可以縮短起爆距離11.6%，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

本書是由車學(xué)科、聶萬勝、周思引、程鈺鋒、馮偉、李國強(qiáng)共同完成。車學(xué)科博士在2007年首先開始等離子體流動(dòng)控制技術(shù)研究，條件所限，主要開展仿真研究，開發(fā)了多個(gè)表面介質(zhì)阻擋放電以及氫氣/氧氣混合氣多組分介質(zhì)阻擋放電計(jì)算程序，并帶領(lǐng)研究生攻克了臨近空間等離子體流動(dòng)控制的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，目前已經(jīng)授權(quán)相關(guān)國防、國家專利9項(xiàng)。聶萬勝教授是我們團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)帶頭人，原總裝“雙百計(jì)劃”科技領(lǐng)軍人才培養(yǎng)對(duì)象，國防973項(xiàng)目技術(shù)首席，總裝教學(xué)名師，航天運(yùn)載技術(shù)專業(yè)組專家，長期圍繞航空宇航推進(jìn)與先進(jìn)流動(dòng)控制方向開展教學(xué)與科研工作。程鈺鋒和馮偉分別是之后培養(yǎng)的唯一一名博士和第一名碩士，前者獲得航天工程大學(xué)優(yōu)秀博士論文，后者獲得全軍優(yōu)秀碩士論文（2013年），此后李國強(qiáng)和周思引分別在2015、2016年獲得全軍優(yōu)秀碩士論文，為本書出版做出大量工作的陳慶亞則在2017年獲得全軍優(yōu)秀碩士論文，這些優(yōu)秀畢業(yè)生都是我們團(tuán)隊(duì)的驕傲！

本書的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、863、高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目的支持，田學(xué)敏、陳慶亞、姜家文、張立志等研究生也付出了大量心血，中國科學(xué)院電工所邵濤博士對(duì)本書的出版給予了大力支持，電工所章程博士和山東大學(xué)張遠(yuǎn)濤博士審閱了本書并提出了許多重要的修改意見，最后本書的出版得到了“2110”工程的資助，在此一并給予衷心的感謝！

原文來源：www.iwuchen.com