第1章研究背景与现状
本章主要论述超声速等离子体流动控制的研究背景，典型的等离子体激励方法与特性，超声速气流边界层、激波／边界层的干扰及凹腔流动等离子体激励调控的研究现状与发展趋势。
1.1研究背景
未来超声速／高超声速飞行器及其动力系统的发展对先进主动流动控制技术有着重要的需求。主动流动控制能够有效地调控边界层、激波、剪切层等典型流动结构，对解决减阻、降热、掺混、降噪等关键气动问题具有重要的作用，有望作为未来飞行器／发动机气动设计中的一个新手段。边界层转捩调控、激波／边界层干扰调控一直是国际上高速空气动力学领域的研究热点，以超燃冲压发动机为典型应用背景的超声速凹腔流动控制近年来也得到了国际上的高度关注。在涡流发生器、离散粗糙元等被动流动控制技术持续得到大量研究的同时，分布式抽吸、射流旋涡发生器、等离子体激励等主动流动控制技术逐渐成为研究热点，高强度、宽频带、阵列式是超声速主动流动控制激励手段的重要发展趋势。
等离子体是固体、液体、气体之外的物质第四态，包含大量与电子成对出现的离子，其运动在电磁场力的支配下表现出显著的集体性行为，并且空气电离时会产生温度升高和压力升高。等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化对气流施加的一种可控扰动。等离子体流动控制是基于等离子体激励的新概念主动流动控制技术，其主要特点是没有运动部件、响应时间短、激励频带宽［1］。2009年，以等离子体激励为代表的主动流动控制技术被美国航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics， AIAA）列为10项航空航天前沿技术的第五项。
俄罗斯（苏联）在超声速／高超声速等离子体流动控制研究方面具有长期的研究历程和*特的学术思想。早期的工作受到飞行器再入时的等离子体黑障现象启发，主要进行高超声速等离子体隐身与减阻研究，获得了大量研究结果。俄罗斯提出了AJAX高超声速飞行器的概念，综合采用等离子体、磁流体进行流动控制与燃烧控制，引起了国际上的广泛关注［2］。苏联解体后，由于资助不足，相关研究工作有所减少。美国的等离子体流动控制研究早期主要受到俄罗斯AJAX项目的启发，与俄罗斯合作进行了弱电离气体等项目的研究，并在阿诺德工程发展中心的弹道靶风洞中进行了大量实验，复现了俄罗斯高超声速等离子体减阻的实验结果。随后Shang等［3］和Bletzinger等［4］对等离子体减弱激波强度的现象进行了深入的研究，得出了等离子体热效应占主导的结论。1998年以后，研究重点转向介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）、表面电弧放电（surface arc discharge，SAD）和等离子体合成射流激励器（plasma synthetic jet actuator，PSJA）。2011年，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）和普林斯顿大学联合召开了等离子体在能源技术、流动控制和材料处理中的应用专题研讨会。2009～2013年，北大西洋公约组织（简称北约）实施了利用等离子体提升军用飞行器性能的研究计划，对直流、交流、电弧、射频、微波等多种形式的等离子体气动激励方式开展深入研究。我国的超声速／高超声速等离子体流动控制研究早期与隐身结合很紧密，侧重于高超声速减阻。近年来，在等离子体激励减弱激波强度、调控边界层转捩、控制激波／边界层干扰方面开展了大量研究。
俄罗斯（苏联）科学家观测到等离子体环境下钝体前激波脱体距离增大的现象，认为等离子体在高超声速减阻领域具有重要的应用前景。随后国际上开展了大量的高速等离子体减阻研究，激励形式主要为大能量的连续式放电，包括直流、交流、微波及射频等［58］，取得了一定的流动控制效果，总结出激励器诱导热效应是实现减阻效果主要机制的结论［9］。为了降低功耗，激励方式开始向脉冲式转变，文献[10]~[17]提出了脉冲直流、脉冲微波及脉冲激光等放电形式。但研究很难获得减阻效果和放电功耗之间的平衡，等离子体激励激波减阻面临很多技术挑战。近年来，国际上超声速等离子体流动控制研究的发展趋势是从宏观的等离子体激波减阻研究，逐渐转向超声速气流边界层、激波／边界层干扰、凹腔等局域典型流动的等离子体激励调控，以介质阻挡放电、表面电弧放电和等离子体合成射流激励为重点，创新激励方式、揭示调控机理、提升调控效果。
1.2等离子体激励
等离子体激励方式创新是等离子体流动控制技术发展的关键。根据等离子体和气体电离特性，可将等离子体气动激励的物理原理归纳为三个方面［18］：一是动力效应，即在流场中电离形成的等离子体或加入的等离子体在电磁场力作用下定向运动，通过离子与中性气体分子之间的动量输运诱导中性气体分子运动，形成等离子体气动激励，对流场边界施加扰动，从而改变流场的结构和形态；二是“冲击效应”，即流场中的部分空气或外加气体电离时产生局部温度升高和压力升高（甚至产生冲击波），形成等离子体气动激励，对流场局部施加扰动，从而改变流场的结构和形态；三是“物性改变”，即在流场中的等离子体改变气流的物性、黏性和热传导等特性，从而改变流场特性。典型的等离子体激励方式包括：介质阻挡放电等离子体激励、表面电弧放电等离子体激励、等离子体合成射流激励、微波放电等离子体激励、激光等离子体激励等。目前国际上超声速等离子体流动控制研究的重点是表面电弧放电等离子体激励、等离子体合成射流激励。
虽然表面电弧放电等离子体激励和等离子体合成射流激励在超声速流动控制领域取得了较好的控制效果，但仍存在明显的不足，控制效果呈现出间歇性特征，无法实现持续稳定的有效控制。*近，基于多通道放电技术的突破［19］，阵列式等离子体激励开始用于激波/边界层干扰（shock wave/boundary layer interaction，SWBLI）的流动控制研究，给有效地提升流动控制效果带来新的希望。多个激励器同时工作被认为是解决上述问题的有效方法，但一开始单电源驱动多路激励器的技术并不发达，只能利用多个电源分别驱动多个激励器工作，电源系统较为复杂。近年来，随着单电源驱动技术的突破，*多实现了单个电源同时驱动31路激励器工作［2022］，使阵列式等离子体激励方式成为可能，并逐渐用于流动控制的研究当中。综上所述，等离子体激励器的发展呈现出从连续到脉冲、从单路到多路的发展趋势，不断地向实际工程化应用靠拢，展现出很强的研究价值和应用潜力。
1.2.1表面电弧等离子体激励
图1.1为表面电弧放电等离子体气动激励器的结构示意图，由两个金属电极和绝缘介质组成。电极以嵌入方式安装至绝缘介质内并连接驱动电源的正负两极。当电极极间电压达到击穿条件时，两个电极间形成表面电弧放电。放电瞬间的能量沉积可使局部温度高达3000K，同时诱导出冲击波和热气团结构，进而在冲击波、热气团向下游发展演化的过程中实现对流动对象的调控。这种激励方式的特点是电极结构简单，流场与激励器本身不会限制激励频率和强度的提升。因此，电弧放电等离子体激励主要应用于超声速和高超声速环境下激波和边界层及两者干扰的控制。
图1.1表面电弧放电等离子体气动激励器的结构示意图
早期俄罗斯学者的研究多采用直流电弧放电，他们发现在超声速气流中，直流电弧放电会由静止大气条件下的小范围表面放电转化为大范围表面放电，等离子体弧柱被限制在近壁面并在来流作用下向下游拉伸，放电通道长度逐渐增加。但由于电源功率限制，电弧长度存在一定的临界值［23］，即会被间歇性吹断，形成一种准直流电弧等离子体激励。俄罗斯科学家围绕准直流电弧等离子体激励减弱激波强度开展了大量的研究，其典型机理是通过等离子体沉积能量形成局部高温热阻塞，诱导产生了斜激波。但是控制效果多依赖于大能量的供给，功耗和电源体积、重量都较大，能量转化效率只有5％～10％。为了解决功耗的问题，脉冲电弧等离子体激励应运而生。
与直流电弧等离子体激励不同，在激励器电极两端施加调制的脉冲高压，击穿空气后形成脉冲电弧等离子体激励，加热局部空气，产生冲击波和局部热气团，从而对流场结构施加控制。Webb等［24］发现尽管功率输入较小，高频脉冲电弧放电的热效应仍然可以促使边界层改性，弱小的扰动可以在边界层中被放大。Gaitonde［25］通过数值模拟手段验证了Webb等的结论，发现扰动诱导的流向涡结构在向下游传递过程中逐渐变大。
脉冲电弧等离子体激励经历了从微秒到纳秒，从单路到阵列的技术路径。Knight［26］证实了微秒脉冲电弧等离子体激励具有削弱圆柱体前脱体弓形激波强度的能力。孙权等［27］揭示了微秒脉冲电弧等离子体激励在压缩斜坡SWBLI方面的控制效果。但由于主要采用单路激励，有效流动控制范围都较为有限。近年来，随着单电源驱动技术的突破，阵列式等离子体激励开始被广泛地采用。Gan等［28］采用微秒脉冲电弧等离子体激励阵列实现了对压缩拐角诱导激波强度的明显削弱，激波脚处激波在高温热气团经过时，出现短暂消失现象。Tang等［29，30］为了提升有效流动控制时长，采用流向阵列式纳秒脉冲电弧等离子体激励，大幅度地提升了有效流动控制时长。
1.2.2等离子体合成射流激励
传统的介质阻挡等离子体激励器诱导气流速度低，限制了其在高速流动中的应用。2003年，约翰斯 霍普金斯大学应用物理实验室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory， JHU/APL）提出一种利用火花放电迅速加热腔内气体进而形成射流的激励器，名为火花射流激励器或等离子体合成射流激励器［31，32］。等离子体合成射流激励器能够产生三大效应：一是能够产生明显的冲击波，对流动产生冲击效应；二是可以产生脉冲高速射流，发挥类似射流型涡流发生器的作用；三是产生的射流温度高，可以通过局部加热发挥作用。因此，等离子体合成射流激励被认为是一种极具潜力的高速主动流动控制方案。
等离子体合成射流激励器基本结构包含腔体、电极、射流出口。如图1.2所示，工作过程可细分为能量沉积、射流喷出、吸气恢复三个子过程。能量沉积过程：当电极两端外接电压达到击穿条件时，电极间空气击穿形成火花放电，电源通过放电通道注入能量，使腔内气体温度升高，压力增大。射流喷出过程：腔内气体受热膨胀后压力高于外界大气，受压差驱动，腔内气体喷出，形成高速射流。吸气恢复过程：受惯性作用，射流段结束后腔内气体压力低于外界大气；同时，腔体壁面热传导也会使腔内气体温度降低，压力减小，此时，外界大气回填，激励器状态恢复，为下一个工作过程做好准备。
图1.2PSJA三个工作过程示意图
等离子体合成射流激励器放电产生在射流腔体中，解决了电弧放电在流场中容易被气流熄灭的问题，激励更加稳定、可控。同时，由于在放电瞬间可以沉积较高的能量，因此，激励器产生的射流速度高，强度大。等离子体合成射流激励器属于脉冲式电激励系统，因此，该类激励器具有同介质阻挡放电激励器相似的频带宽、响应快的优点。
作为一种新型的等离子体流动控制激励器，早期主要通过实验测试和唯象仿真手段对激励器的速度、频率、时间响应、效率等激励特性开展广泛的研究。JHU／APL开展的纹影实验表明射流喷射*大距离达0.03m，仿真结果表明*高速度可达1500m／s［32］。得克萨斯大学奥斯汀分校研究团队通过纹影测试表明激励系统存在饱和频率，但频率高达5kHz［33］。Jin等［34］开展的纹影结果表明放电28μs后已经能观察到明显的射流结构。该团队基于等离子体合成射流工作过程对系统效率进行了详细的分析，指出激励系统效率应该是放电效率、非均匀加热效率和机械能转化效率的乘积，其中机械能转化效率是整个效率中的薄弱环节，通常都不超过1％［35］。法国图卢
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