單脈沖等離子體合成射流對飛行器控制特性研究

摘 要：等離子體合成射流（PSJ）激勵器通過電弧放電產(chǎn)生的高速射流可以有效提升飛行器的控制效率和精度，克服傳統(tǒng)飛行控制技術(shù)存在的響應(yīng)時間長、脫靶量大和效率低等問題。本文基于唯象模型，對PSJ激勵器的單脈沖射流性能進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，增大沉積能量可以有效提升射流的流動性能，使射流的峰值速度、持續(xù)時間和沖量明顯提升。飛行高度的升高會對射流的流動性能產(chǎn)生消極影響，當飛行高度由0提升至20km時，射流的峰值速度減小約20%，但是射流持續(xù)時間基本不變。飛行速度的增大會降低射流的峰值速度，但延長了射流的持續(xù)時間，使單脈沖射流產(chǎn)生的沖量顯著提高。PSJ控制下的飛行器偏轉(zhuǎn)速率均高于傳統(tǒng)氣動表面，雖然飛行高度的升高導(dǎo)致其在20km處所達到的偏轉(zhuǎn)速率僅為0處的4%，但是對應(yīng)的有效性參數(shù)高達12.66。本文的研究成果對實現(xiàn)飛行器的高效姿態(tài)控制有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：飛行器； 姿態(tài)控制； 等離子體合成射流； 飛行高度； 偏轉(zhuǎn)速率

中圖分類號：V237 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.004

飛行控制技術(shù)存在的響應(yīng)時間長、脫靶量大和效率低等問題已成為高超聲速飛行器發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題[1-4]。等離子體合成射流（PSJ）激勵器作為一種新型的主動流動控制裝置，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、響應(yīng)時間短等優(yōu)勢，還優(yōu)化了傳統(tǒng)合成射流技術(shù)在高海拔地區(qū)效率低的問題，產(chǎn)生的高速射流對流場具有很強的控制能力，可以有效地提升高超聲速飛行器的控制效率和精度[5]。中國臨近空間飛行器技術(shù)發(fā)展論證報告、美國國家航空航天局（NASA）的多個重點項目均強調(diào)了發(fā)展主動流動控制技術(shù)對于改善高超聲速飛行器飛行控制問題的重要性[6]。

PSJ 激勵器作為一種主動流動控制技術(shù)，于2003 年由Grossman 等[7]首次提出后，逐漸在高速流動控制[8-10]和邊界層控制[7， 11-12]領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的工程應(yīng)用前景。在研究方法方面，由于PSJ 的持續(xù)時間短、參數(shù)變化劇烈，很難通過試驗方法準確測量，因此數(shù)值模擬研究逐漸成為探究PSJ性能的主要方法，其中唯象模型在當前研究中得到了廣泛的應(yīng)用[13]。Zheng Borui 等[14]采用唯象模型探究了PSJ 激勵器在高頻放電下的性能衰減規(guī)律，Anderson 等[15]也通過該方法評估了靜態(tài)環(huán)境下PSJ 的流動性能。相比之下，雖然等離子體反應(yīng)模型可以對激勵器的放電過程進行描述，但是計算成本高，模擬過程也十分復(fù)雜，在PSJ 相關(guān)研究中仍處于起步階段[16-18]。在性能優(yōu)化方面，激勵器的環(huán)境適應(yīng)性和腔內(nèi)氣體的補充效率等問題受到了廣泛關(guān)注。為了優(yōu)化射流性能衰減的問題，Haack[19]和羅振兵等[20]在傳統(tǒng)2 電極結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開展了新型3 電極PSJ 激勵器的研究，通過降低擊穿電壓的方式，顯著提高了射流的速度。李晉峰等[21]提出了一種結(jié)合壓電振子的PSJ 激勵器結(jié)構(gòu)，提高了腔內(nèi)氣體的補充效率。近年來，單向閥執(zhí)行機構(gòu)[22]、低射流孔傾角[23]、拉瓦爾型射流孔[24]等結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式也相繼提出，但是這些方法對射流性能的提升效果十分有限，仍需繼續(xù)探究新的性能提高方式。

偏轉(zhuǎn)速率是評價飛行器姿態(tài)控制技術(shù)的重要性能指標，PSJ 流動性能的改變會對其姿態(tài)控制效果產(chǎn)生直接影響，如何選擇最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)，提升飛行器的偏轉(zhuǎn)速率是PSJ 激勵器的重要研究方向。在當前研究中，尚未有綜合考慮環(huán)境特性和飛行條件對PSJ 流動性能影響的相關(guān)報道，因此本文將基于能量沉積假設(shè)和唯象模型，針對圓柱形結(jié)構(gòu)的PSJ 激勵器進行研究，詳細分析沉積能量、飛行速度和飛行高度對PSJ 流動性能的影響，并對PSJ 的飛行器姿態(tài)控制性能進行評價。