等離子體點火技術在脈沖爆震發動機中的應用研究現狀

于錦祿 王思博 黃丹青 蔣陸昀 程行遠 何立明

摘要：等離子體點火技術是航空航天動力領域研究前沿。本文概括了等離子體點火研究背景和基本原理，總結了國內外等離子體點火技術在脈沖爆震發動機中的應用研究現狀，指出脈沖爆震發動機中利用等離子體點火具有諸多優勢，如點火能量大、能有效縮短點火延遲時間、提高DDT特性等。在此基礎上，本文分析了應用于脈沖爆震發動機的等離子體點火驅動電源、等離子體點火器以及兩種典型等離子體點火方案。最后針對等離子體點火技術在脈沖爆震發動機中的應用研究現狀，對其發展方向進行了展望。

關鍵詞：等離子體點火;脈沖爆震發動機;放電特性;等離子體電源;點火方案

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A

等離子體是由帶電的正離子、負離子、自由基和各種活性基團組成的集合體，屬于物質的第四態。等離子體中存在的帶電粒子，與電場和磁場相互耦合，因此，等離子體與固體、液體或氣體有本質的區別[1，2]。在航空領域中等離子體除了具有隱身、增強氣流流動穩定性的作用外，還可在燃燒室中點火助燃。等離子體可以通過其熱效應、輸運效應以及動力學效應來加速燃燒室內的化學反應，在不同的介質、溫度、壓力等條件下起主要作用的促進效應不同[3，4]。利用等離子體進行點火，已經引起了世界各國研究人員極大的興趣。

脈沖爆震發動機（Pulse Detonation Engine，PDE）是一種利用脈沖式爆震波生成的高溫、高壓燃氣來產生推力的新概念發動機[5]。脈沖爆震發動機具有結構簡單、重量輕、高推重比、高燃燒效率等優點[6]。針對爆震波的快速可靠起爆、尺寸的縮短和頻率的提高等決定脈沖爆震發動機發展的關鍵問題，近年來研究表明利用等離子體點火能夠有效地起爆脈沖爆震發動機，同時可以明顯地縮短爆燃到爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT）的距離和時間，并具有更高的起爆成功率[7，8]。將等離子體點火技術應用于脈沖爆震發動機中，對提高脈沖爆震發動機多項性能指標有較大作用。

為準確把握國內外等離子體點火技術在脈沖爆震發動機中的研究進展，引起更多國內外學者對該技術的關注，加快推進等離子體點火技術在脈沖爆震發動機中的應用，本文對該技術目前的應用研究現狀進行研究分析。

1 等離子體點火的基本原理

等離子體點火是利用放電形成局部高溫區域，并激發大量的活性粒子，實現快速地點燃可燃混合氣或者是強化燃燒的進程[9]，常見的等離子體點火有等離子體射流點火、電暈等離子體點火、瞬態等離子體點火等。等離子體點火的機理主要表現為三種效應：熱效應、化學效應和氣動效應[10，11]。熱效應是指放電擊穿放電介質，加熱放電介質使其溫度迅速上升。化學效應是指等離子體放電過程中，電子與空氣/燃料分子發生碰撞，大分子碳氫燃料被電離成活化能很小的帶電活性粒子，空氣中的氧氣和氮氣分子被電離成氧化性更強的活性粒子，從而加速化學連鎖反應。氣動效應是指等離子體放電的過程會對流場產生擾動，一方面增強燃燒室內氣流湍流脈動度，利于等離子體流和燃燒室氣流摻混;另一方面有利于等離子體在混合氣中的定向遷移，從而擴大了火焰焰鋒面積，顯著增大火焰傳播速度，增強燃燒穩定性。等離子體點火相較于傳統電火花點火，其優點為：

（1）點火區域大。如圖1所示[12]，傳統的電火花點火通常為點對點的點火方式，而等離子體點火的點火區域可以是一個面，甚至是一個三維空間。大量的點火流注可以實現多點同時點火，能夠有效地增強等離子體點火的可靠性。

（2）點火延遲時間短。等離子體點火比電火花點火的點火能量大，可以迅速提高點火區域周圍的可燃混合氣溫度，使可燃混合氣快速達到燃燒反應條件，縮短點火延遲時間。

（3）點火能量利用率高。傳統電火花點火只有少部分電能轉化為點火能量，大量的電能被用來發光和加熱電極，而等離子體點火所消耗的電能大都用于點火，從而提高了點火能量利用率。

（4）可燃混合氣轉化為活化粒子進行燃燒反應，極大地減少中間產物的生成，使燃燒反應更加完全，提高了燃料利用率，并大大減少有害物質的排放。

（5）點火能量可以更好地與可燃混合氣耦合。點火區域的大分子碳氫燃料被電離成活化能小的活性粒子，使可燃混合氣的化學反應速率更快、反應時間更短，同時達到點火的效果。

2 脈沖爆震發動機中的等離子體點火技術

理論研究表明脈沖爆震發動機有諸多的優點，經過國內外研究人員多年的研究，已經取得了巨大的成就。但截至目前，仍有許多技術難點問題制約著脈沖爆震發動機的工程應用。如爆震波的快速可靠起爆、尺寸的縮短和爆震頻率的提高、高爆震頻率下閥門的快速響應、快速填充及摻混、各系統之間的匹配、系統的可靠性等。

2.1 等離子體點火技術在脈沖爆震發動機中的研究現狀

等離子體點火要應用于脈沖爆震發動機，需要適應爆震發動機的工作特點，即點火也應該是脈沖式的。常用的等離子體射流點火（火炬點火），因其響應速度較慢不適合直接用于脈沖爆震發動機的點火。因此，脈沖爆震發動機中使用的等離子體點火器，一般為相應較快的脈沖式點火器。

針對直管型脈沖爆震發動機的DDT距離和時間長的問題，從2003年開始，俄羅斯Starikovskii[13，14]在對等離子體點火和脈沖爆震發動機深入分析的基礎上，提出利用等離子體點火技術起爆脈沖爆震發動機，以解決制約脈沖爆震發動機應用的各種問題，如爆震發動機的點火延遲時間、爆震室的長度、起爆成功率等問題。

2004年，美國南加州大學的Wang[15]和美國海軍研究生院的Sinibaldi等也開展了相應的研究工作，他們使用的點火方式為納秒脈沖放電點火，稱之為瞬態等離子體點火（Transient Plasma Ignition，TPI）。研究表明，瞬態等離子體點火可以大幅地縮短DDT的距離和時間，而且起爆成功率也有所提高。初步的試驗表明，在初始溫度280～430K、壓力101.33～607.95kPa范圍內，點火延遲時間和DDT的轉換時間都顯著降低。

美國空軍實驗室的John Hoke和J.Corrigan[16]等在四管脈沖爆震發動機上研究了瞬態等離子體點火，其中一個爆震管使用火花塞點火，另外三個管采用瞬態等離子體點火，電源采用的是30kV的直流電源。

美國俄亥俄大學的Andrew Naples[17]等對比研究了分別使用汽車火花塞點火器和等離子體點火器，分別在以航空汽油、乙烯和氫氣為燃料時，起爆脈沖爆震發動機。研究結果表明，利用等離子體點火器點火，大約縮短了50%的DDT距離和30%的時間，同時C-J爆震波的速度也有所提高。

2012年，普林斯頓大學的Andrey Starikovskiy[18]綜述了等離子體點火在脈沖爆震發動機起爆方面的研究成果。首先分析了等離子體強化點火的基本機理，從點火的角度分析了等離子體放電過程中的能量轉化;然后就等離子體點火技術在脈沖爆震發動機中的控制應用進行了討論。文章最后指出，等離子體點火技術在高速燃燒、貧油燃燒控制和爆震發動機等領域都會具有很好的應用前景。

2009-2014年，南京理工大學翁春生[19，20]課題組通過數值仿真的方法，研究了等離子體射流對脈沖爆震發動機快速起爆的影響。

2013年開始，北京大學鄭殿峰[21]課題組與北京動力機械研究所高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室的張義寧等合作，創新性地利用交流低溫介質阻擋放電等離子體成功進行了脈沖爆震發動機點火，由于之前的研究結果往往認為介質阻擋放電等離子體的溫度較低，可用于助燃，但不利于點火。他們成功地設計了一種等離子體電源，并且成功觸發了以氣態乙炔/空氣的爆震，結果表明采用交流驅動低溫等離子體點火觸發爆震是可行的。2016北京大學鄭殿峰[22]課題組設計了雙管試驗系統，并比較了非熱平衡態等離子體和火花塞在空氣/乙炔混合物中點火的試驗特性。試驗結果表明，與電火花塞點火相比，采用等離子體點火使DDT時間縮短了一半，大幅度提高了火焰和爆震波的形成和傳播速度，提高了爆震波的性能。

表1為多個實驗室通過對比等離子體點火和電火花點火兩種不同點火方式，以及對比不同頻率、不同脈寬的等離子體點火器在脈沖爆震發動機中點火試驗得出的結果。從表中可以看出，與電火花點火相比，利用等離子體點火明顯縮短了點火延遲時間，提高了DDT特性。利用等離子體點火器在相同試驗條件下點火時，脈寬的大小對點火延遲時間影響不大，但是相比于脈寬較大的點火器，所需要的點火能量較小，部分點火裝置所需能量小于電火花點火能量。

2.2 不同放電方式的等離子體點火器

在脈沖爆震發動機研究領域，大多數研究者研究工作是建立在普通電火花點火起爆的基礎上，而應用等離子體點火的情況不多。下面是幾種不同的等離子體點火方式，分別是電暈放電等離子體點火器、電弧放電等離子體點火器和介質阻擋放電等離子體點火器。

（1）電暈等離子體點火器

電暈等離子體點火是利用高壓納秒脈沖電源，直接擊穿在陰陽極之間混合氣的點火形式，又被稱為納秒脈沖等離子體點火。電暈等離子體點火結構與直接擊穿混合氣的等離子體點火形式相類似，只是由于外部的電源形式不同，納秒脈沖電源的放電時間極短，擊穿的流注沒有來得及形成電弧，形成的是電暈放電。美國海軍研究生院與南加州大學研制的電暈放電點火的照片如圖2所示[27]。

為了減小點火器的體積，南加州大學的Daniel R.Singleton[28]等設計了小型的瞬態等離子體點火器，并在美國海軍研究生院的爆震發動機試驗臺上進行了試驗研究。其結構如圖3所示，其中左上圖為12ns的瞬態等離子體點火器，左下圖為85ns的瞬態等離子體點火器，右圖為12ns的瞬態等離子體點火器。

為降低瞬態等離子體點火器對電源的要求，本文提出了一種基于環形放電的瞬態等離子體點火器。研制的環形陽極等離子體點火器和其產生的電暈放電照片如圖5所示[29]。環形陽極等離子體點火器由環形陽極、陰極和絕緣套等組成。環形陽極內部為空心，空心的內部通道可以流通混合氣，外部為螺紋表面。該結構的等離子體點火器應用于脈沖爆震發動機點火，可直接把爆震管當作陰極使用[30]。

當使用基于電暈放電的等離子體點火器時，中心陽極連接高壓電源，可以將爆震管作為陰極接地。通電時，在中心陽極與陰極之間產生大量的流注放電，形成局部高溫區域，并激發大量的活性粒子，實現快速的點燃可燃混合氣。納秒脈沖等離子體點火能克服傳統電火花放電的許多不足，其優點為：點火區域大、時間極短，點火能量可以更好地與氣體混合物耦合，點火區域的大分子碳氫燃料被電離成活化能小的活性粒子，使混合氣的化學反應速率更快，反應時間短，點火成功率高[31]。

（2）電弧放電等離子體點火器

本文根據等離子體氣體放電的基本理論，在充分借鑒國外最新研究成果的基礎上，結合項目組前期的研究基礎，設計了兩種用于脈沖爆震發動機的等離子體點火器：碟形等離子體點火器和圓柱等離子體點火器。

碟形等離子體點火器[32]的特點是陽極為碟形，碟形陽極邊緣為尖端，更有利于放電。外殼體為陰極并接地。碟形等離子體點火器具有與普通火花塞點火器相同的螺紋接口，同時也可以安裝在內燃機上進行點火試驗。

圓柱等離子體點火器的特點是陽極為中心的圓柱，陽極前端為螺紋表面，螺紋表面更有利于產生尖端放電。外殼體為陰極并接地。

設計的兩種等離子體點火器的放電效果照片如圖6所示。從圖中可以看出，等離子體點火器在放電過程中會出現大量的放電電弧流注，與火花塞相比這種電弧屬于拉長的電弧。從圖中可以看出，大量的放電流注使得點火能量與混合氣充分耦合，在點火流注與混合氣的耦合過程中，會把大分子的混合氣電離成更容易進行化學反應的小分子或者帶電離子，因此，可在較大范圍內快速點著可燃混合氣。

（3）介質阻擋放電等離子體點火器

北京大學鄭殿峰等[21]研制的基于介質阻擋放電等離子體點火器如圖7所示。點火器采用同軸結構，電極間采用陶瓷阻擋介質，放電間隙為4mm，高壓電極安裝在爆震管頭部中心處，低壓電極與爆震管連接。低壓電極內表面光滑，目的是產生均勻的流注放電。

2.3 等離子體點火驅動電源

不同的等離子體點火器和點火方式，需要搭配不同的點火電源。現有用于脈沖爆震發動機點火研究的電源可以歸結為三類，分別是納秒脈沖等離子體電源、基于電弧放電等離子體點火器的等離子體電源、基于介質阻擋放電點火的低溫等離子體電源。

（1）納秒脈沖等離子體電源

納秒脈沖等離子體點火的關鍵是要有納秒脈沖電源，目前制造相關電源成本較高，且主要停留在試驗階段。2005年，美國南加州大學的Wang Fei等[33]研究了基于偽火花開關的脈沖等離子體電源，該技術的電源能夠制造出體積更小的等離子體電源。與美國海軍研究生院和空軍實驗室的合作研究表明，使用該電源的等離子體點火器能夠大幅提高脈沖爆震發動機的DDT性能。

2009年，美國海軍研究生院的Sinibaldi，Brophy等[28]研制出了尺寸小巧的等離子體電源，新型小型化的等離子體電源能夠產生脈沖峰值60kV、脈寬12ns的高壓脈沖，更適合在航空器上安裝，電源如圖8所示。新型的脈寬12ns電源與之前的脈寬85ns等離子體電源在脈沖爆震發動機上進行了對比試驗研究，獲得了點火延遲時間。結果表明，除了混合氣在很小當量比條件下，脈寬 12ns電源的點火延遲時間較長之外，在其他混合氣當量比條件下，脈寬12ns電源的點火延遲時間與脈寬85ns電源的點火延遲時間相差不大。但是脈寬12ns電源的能量消耗為80mJ，而脈寬85ns電源的能量消耗為800mJ，脈寬12ns電源消耗的能量明顯減少。

2011年，美國南加州大學的Singleton[34]等研究了緊湊的等離子體電源，在定容反應器中對比了電源的點火特性。研究結果表明，對于兩種不同的等離子體電源：脈寬54ns偽火花開關式和脈寬12ns磁壓縮式，與傳統的電火花相比較，在很寬廣的混合氣當量比條件下等離子體點火縮短了1/2的點火延遲時間。而脈寬54ns偽火花開關式電源消耗的能量為365mJ，脈寬12ns磁壓縮式電源消耗的能量為75mJ。

目前公開的文獻中用于脈沖爆震發動機的等離子體點火電源的峰值電壓和脈寬見表1。

（2）基于電弧放電等離子體點火器的等離子體電源

作者曾在空氣流量為0.0115kg/s、供油量為7.6L/h，當量比為1.95、進氣壓力為101.33kPa條件下，采用毫秒脈沖等離子體電源，使用碟形和圓柱等離子體點火器成功起爆爆震發動機，在點火頻率不變情況下，隨著空流量的增大，爆震波峰值和點火起爆時間都會增大;隨著當量比不斷增大，爆震波峰值壓力也逐漸降低，點火起爆時間也會相應縮短。毫秒脈沖等離子體電源CTP-2000K由南京蘇曼公司設計生產，如圖9所示。該電源為單高壓等離子體電源，輸出電壓為0～30kV，輸出電壓的脈沖頻率為10～1000Hz，占空比手動可調節，電源功率為1000W。

（3）基于介質阻擋放電點火的低溫等離子體電源

北京大學鄭殿峰[22]利用交流介質阻擋放電低溫等離子體起爆爆震，低溫等離子體電源交流電中心頻率為30kHz，輸出電壓為0～40kV，通過同步控制器，實現等離子體電源的單次放電時間為0.2ms，0.3ms，0.4ms和0.5ms，頻率為0.1～100Hz。當低溫等離子體點火器單次放電時間為0.5ms時[35]，單次放電能量為0.2mJ左右。低溫等離子體電源和控制器如圖10所示。

納秒脈沖等離子體電源點火范圍大、能量利用率高，用于脈沖爆震發動機能有效地提高其多項性能。從現有的試驗結果中可以看出，利用納秒脈沖等離子體電源來點火，其脈寬越小，點火消耗能量越少，但是其對點火延遲時間影響較小。但是現有的納秒脈沖等離子體電源，體積較大，生產制造成本較高，工程應用還有較大難度。因此，小脈寬、小型化、低成本的納秒脈沖等離子體電源將是未來納秒脈沖等離子體電源的發展方向。此外，在目前脈沖爆震發動機技術不夠成熟的條件下，毫秒級別的等離子體電源成本較低，是試驗研究階段較好的選擇。

2.4 等離子體點火的典型實施方案

根據直管形脈沖爆震發動機的結構特點，其點火的實施位置一般在封閉端或爆震室的前端。

（1）封閉端點火實施方案

根據脈沖爆震發動機的工作原理，點火的一端為封閉端，這樣有利于形成完整的爆震循環，同時形成較強的反射波，增大發動機的推力。

美國海軍研究生院的研究方案中點火器位于封閉端，如圖11所示[20]。空氣和燃料分別從上下兩側的通入PDE管道來進行燃燒。高速動態壓力傳感器被安裝在TPI系統中，用于測量不同位置的燃燒段的壓力上升，并確定點火延遲時間。

美國空軍實驗室的瞬態等離子體點火起爆脈沖爆震發動機的布置方案如圖12所示[18]，采用的是封閉端點火方式。該點火器位于PDE管的頂部封閉端，且位于圓形管道的中心位置。1為爆震管底部，2為絕緣材料，3為金屬點擊，4為放電點火范圍。

北京大學也采用了封閉端的點火方式，如圖13所示[21]。點火器為同軸結構，電極間采用陶瓷阻擋介質，放電間隙為4mm，高壓電極安裝在爆震管頭部中心處，低壓電極與爆震管連接。低壓電極內表面光滑，目的是產生均勻的流注放電。低溫等離子體點火器安裝在爆震管1頭部，爆震管1出口用膜片密封。先開啟真空泵，將系統抽至一定的真空，填充氣體燃料分壓力份額，再填充剩余空氣。開啟循環泵，使混氣均勻。關閉相應的閥門，在觸發低溫等離子體電源同時，采集系統采集數據。

作者設計的碟形等離子體點火器和圓柱等離子體點火器，采用的是在爆震室的前端點火方案，如圖14所示[29]。試驗系統主要由氣路、油路、爆震燃燒室、點火器、電源和測試系統等組成。從示意圖中可以看出，環形等離子體點火器安裝在爆震管的內部，與爆震管是同心安裝，一方面作為點火器，另一方面可以作為爆震管的封閉端。碟形/圓柱等離子體點火器和火花塞點火器安裝在爆震管的側面，碟形/圓柱等離子體點火器和火花塞點火器具有相同接口，試驗時可以相互進行更換。

（2）雙瞬態等離子體點火方案

美國海軍研究生院還采用了雙瞬態等離子體點火的方案。該方案使用第二個電極來輔助點火，第二個電極位于爆震室中部靠前的位置，如圖15所示[36]。此點火方案的關鍵在于把握好第二個TPI電極點火源的觸發時間，需要在第一個電極的適當時間延遲觸發，從而縮短DDT時間。

3 結束語

本文介紹了等離子體點火的基本原理，提煉了等離子體點火的優點。介紹了國內外利用等離子體點火起爆脈沖爆震發動機的研究成果，總結了等離子體點火方式和對應的等離子體點火電源。根據等離子體的放電點火原理，將等離子體點火器分為三類：電暈等離子體點火器、電弧放電等離子體點火器和介質阻擋放電等離子體點火器。分析結果表明，相比于普通電火花點火，等離子體點火對提高脈沖爆震發動機起爆性能（如縮短點火延遲時間、縮短DDT時間和距離等）都具有明顯的作用，這為將來提高脈沖爆震發動機的各項性能（如縮短脈沖爆震發動機的長度、提高脈沖爆震發動機的推力、工作頻率和可靠性）奠定基礎。針對等離子體點火技術及其在脈沖爆震發動機中應用的特點，作者認為，今后還需要在如下領域開展更加深入的研究工作。

（1）等離子體點火器工作機理研究

等離子體點火的優勢已經得到了廣泛認可，但是等離子體點火的詳細機理還不是很清楚。例如，等離子體點火的過程中出現的活性粒子成分、不同活性粒子對應的不同反應路徑、以及不同活性粒子對促進燃燒的貢獻大小等都有待進一步研究。等離子體點火的三種效應已經得到公認，但是三種效應分別如何影響點火和燃燒過程，每種效應的貢獻率尚不清楚。由于等離子體點火技術涉及高電壓技術、流體力學、化學動力學、燃燒學等多個方向，本身具有較大的復雜性，因此需要加大對等離子體點火機理的研究，對于等離子體點火開展更為細致的基礎性理論研究工作。

（2）等離子體點火在脈沖爆震發動機領域應用研究

脈沖爆震發動機使用的近似于定容循環具有較高的熱循環效率，外加其結構簡單、低成本，讓脈沖爆震發動機在未來空天推進領域具有廣闊的應用前景。但作為一種新型的動力形式，現有脈沖爆震發動機在爆震的起爆、控制、保持、系統匹配工作等方面，都存在一定的不足。利用等離子體點火方式起爆脈沖爆震發動機在研究階段展現了良好性能，但仍處于試驗探索階段，想要工程應用還存在諸多問題。如能夠應用于脈沖爆震發動機的實用化小型高性能的等離子體點火電源依然是這一領域的短板。因此，今后應該在等離子體點火驅動電源的小型化、輕型化上多下功夫，開展針對性的攻關。

（3）研究手段方法，應該注重試驗與仿真結合

本文總結的國內外研究成果大部分通過試驗得出，從公開文獻來看，對于多物理場耦合的等離子體點火仿真研究較少。通過試驗能夠較為直觀觀察試驗現象和試驗結果，得到的數據較為真實。而數值仿真，在解釋等離子體點火的物理、化學機理，影響因素和變化規律等方面，具有十分重要的意義。因此，在今后研究中，應該注意試驗與仿真相結合。

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