臨近空間螺旋槳等離子體激勵器試驗研究

姜家文，田希暉，陳慶亞，聶萬勝

(1.裝備學院 研究生院，北京 101416； 2.裝備學院 航天裝備系，北京 101416)

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臨近空間螺旋槳等離子體激勵器試驗研究

姜家文1，田希暉2，陳慶亞1，聶萬勝2

(1.裝備學院 研究生院，北京 101416； 2.裝備學院 航天裝備系，北京 101416)

基于螺旋槳的雷諾數相似和等離子體射流相似，用地面縮比螺旋槳樣機模擬臨近空間螺旋槳的工作狀態。試驗選取了兩種形狀的暴露電極(常規矩形激勵器和新型細絲激勵器)，分別對螺旋槳的轉矩、靜推力和功率進行了測量，并通過計算獲得了功率效率和增效效率。研究表明，SDBD開啟對螺旋槳產生了明顯的增升減阻作用，且細絲激勵器效果要比矩形激勵器效果更好。

螺旋槳；SDBD；電極形狀；臨近空間

0 引言

臨近空間飛艇在通信保障，情報收集，電子壓制，實時預警，空間打擊等方面具有巨大潛力[1]。作為主要動力設備的螺旋槳卻因為臨近空間的氣體密度較低而效率較低，難以實現臨近空間飛艇需要的“上得去、下得來、控得住”的總目標。傳統的變槳徑、變槳距機械結構，雖然能較好地滿足寬工況的條件，但是卻額外增加了活動部件，減少了有效載荷量，也降低了螺旋槳的工作可靠性[2]。表面介質阻擋放電(SDBD)作為一種新型的流動控制技術，具有輕質、寬工況、反應迅速、無活動部件、全電控以及對動態空氣動力部件控制極其理想等特點[3]。國內外有許多關于SDBD用于抑制翼型流動分離的相關文獻[4]，但是卻鮮有將SDBD應用于臨近空間螺旋槳上開展試驗和理論方面的研究報道。在近十幾年的研究中，傳統的矩形激勵器，即暴露電極為矩形，產生的增效達到試驗室能獲取的極限值，但是距工程實際應用仍有一定差距[6]。近年來有文獻指出改變暴露電極的形狀可以得到更好的優化結果[7]。本文基于螺旋槳的雷諾相似和等離子體相似，用地面縮比螺旋槳樣機模擬臨近空間螺旋槳的工作狀態。試驗選取了兩種形狀的暴露電極(常規矩形激勵器和新型細絲激勵器)進行研究，討論SDBD對螺旋槳的增效能力以及不同激勵器產生增效的區別。

1 試驗原理和試驗設備

現階段沒有可以直接在地面進行臨近空間測試的試驗條件，因此采用的螺旋槳為臨近空間實際的縮比型，其依據為雷諾相似和等離子體相似。相似原則如下：

螺旋槳雷諾相似：

式中，n為螺旋槳轉速，D為螺旋槳直徑，ρ為空氣密度，μ為空氣粘性系數，下標0表示臨近空間原型，1表示地面模型。

等離子體射流雷諾數相似：

υ采用等離子體誘導射流最大速度，L采用射流半高寬，即速度等于最大速度1/2點距離壁面的高度，采用這兩個參數可以更加合理地反映等離子體誘導射流的動力學特性。

試驗系統的示意圖如圖1(a)所示。將激勵器安裝到縮比螺旋槳槳葉上，利用三參數傳感器(轉矩、扭矩、轉速)和軸向力傳感器測量一定轉速下開啟等離子體激勵器前后螺旋槳的轉矩M、靜推力T和功率W。計算螺旋槳的功率效率η=T/W，即單位功率產生的靜推力。評估等離子體增效效率：(η2-η1)/η1。其中電動機用變頻器控制，螺旋槳在恒定轉速下工作。激勵電源用HFHV30-1高頻高壓交流電源，輸出電壓±15kV，可以工作在連續模式，工作頻率范圍為1kHz～50kHz，調節步長為0.1kHz，以及脈沖式，其中爆發頻率為10Hz～3000Hz，步長為10Hz，占空比為10%～90%。電壓采用安捷倫N2771B高壓探頭測量，電流采用皮爾森電流線圈6595測量，電壓、電流測量結果使用安捷倫DSO3024A示波器進行顯示和記錄。

如圖1(b)所示，螺旋槳直徑2 m，試驗在恒定轉速300 rpm下進行。試驗使用的等離子體激勵器共兩種，區別在于暴露電極的形狀，分別為寬度2 mm、厚度0.18mm銅箔制成的常規激勵器和直徑為0.18mm的銅絲。植入電極均為銅箔，寬度為10 mm。極間距均為0mm，電極間重合區域長度為40cm，端部與槳葉葉尖距5cm。電極均貼于螺旋槳槳葉的上表面。為了增加SDBD的作用效果，每片槳葉上面共三組激勵器。第一組激勵器距槳葉前沿5mm，之后每組激勵器間的距離為2cm。根據文獻[8]，電源工作在脈沖模式下SDBD得到的增效比連續模式下更高。因此本次試驗電源的激勵參數僅選取脈沖式激勵。電源參數為占空比10%，激勵頻率分別為10Hz、20Hz、30Hz，峰值為6kV，電壓頻率為10kHz。

圖1 螺旋槳試驗

2 試驗結果

得到的試驗結果展示如圖2。試驗中還得到轉矩，但是增效主要是指推力增加，功率減小，因此將轉矩略去不予展示和分析。從圖2中可以看到無論是常規激勵器還是細絲激勵器都產生不同程度的增效。對于常規激勵器，功率在三種激勵頻率下都有所減小，減阻效果得到證實。推力在10Hz和30Hz的情況下有所提升，但在50Hz情況下有所下降。隨著脈沖頻率的增加，等離子體產生量處于增加狀態，這說明在常規激勵器條件下，存在一個最優激勵頻率，使得等離子體增效效果最好。該頻率的范圍可以通過進一步細化試驗參數得到。細絲激勵器則在10Hz到30Hz整個頻率范圍內推力均有所提升，功率都有所減小。這初步說明新型細絲激勵器與常規激勵器相比效果更好。

圖2 試驗測試結果

3 兩種激勵器比較

從推力來看，細絲激勵器與常規激勵器相比小了很多，但這并不能充分表示常規激勵器比細絲激勵器增升減阻效果好。因為在無控的狀態下帶有常規激勵器的螺旋槳比帶有細絲激勵器的螺旋槳推力大得多。這是試驗誤差造成的結果，因為和常規激勵器相比，細絲不容易附在螺旋槳上。因此在對細絲激勵器加工時，用上了強力雙面膠，使得螺旋槳與空氣間的黏性大大增加，從而造成功率增加，推力減小。所以，要比較常規激勵器和細絲激勵器的增效效果，應該縱向比較以排除試驗誤差，即如圖3所示，比較兩者的增效效率。按照增效效率的定義，不加電時沒有增效。從圖中看出，兩者在無控時，增效效率均為0。在其它幾個電源參數下，細絲激勵器等離子體增效效果均比常規矩形的好，兩種激勵器在脈沖頻率為10Hz下效率相差大于1個百分點。單獨看各自的增效效率，細絲激勵器隨著脈沖頻率增加，增效效率有所降低，說明在低脈沖頻率下其效果最好。而常規激勵器增效效果隨脈沖頻率增加，變化較小。

圖3 增效效率

4 結 論

從試驗的結果上看出，SDBD對螺旋槳產生了明顯的增效，新型細絲激勵器效果比常規矩形激勵器效果要好。兩種激勵器在脈沖頻率為10Hz下增效效率相差大于1個百分點，說明暴露電極形狀的改變能對SDBD增效效果產生明顯影響。

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Study on Plasma Actuators of Propeller Near Space through Experiments

JIANG Jiawen1, TIAN Xihui2, CHEN Qinya1, NIE Wansheng2

(1.Department of Postgraduate, the Academy of equipment, Beijing 101416, China;2.Department of Space Equipment, the Academy of equipment, Beijing 101416, China)

Based on analogy of Reynolds and plasma induced jet，it was used that utilizing reduced propeller to simulate propeller working near space. There were two kinds of actuators chose in the experiments (regular rectangular actuator and original filamentous actuator). Torque, static thrust and power were measured through experiments, and power efficiency, increment efficiency are calculated. Study showed that opening SDBD (surface dielectric barrier discharge) generated effect that lift increases and drag decreases obviously. Moreover, filamentous actuator acted better than rectangular actuator.

propeller; SDBD; shape of electrode; near space

2015-07-06

國家自然科學基金(11205244)； 高分專項青年創新基金(GFZX04060103-5)。

姜家文(1991-)，男，四川遂寧人，碩士研究生，主要研究方向為等離子體流動控制。

1673-1220(2015)03-011-03

V211.44

A