丝状滑动放电闭环等离子体控制系统及其控制方法与流程

本发明属于空气动力学、等离子体物理和流动控制技术领域，具体涉及一种丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，本发明还涉及该丝状滑动放电闭环等离子体控制系统控制细长体背部非对称流的方法。

背景技术：

现代高性能战斗机和战术导弹头部通常采用细长体结构减小阻力，为了获得良好的机动性能，要求能够在大攻角甚至过失速条件下机动飞行。当飞行器攻角增大到一定范围时(25°至50°)，细长体背部中线两侧原本左右对称的两个分离旋涡会突然变得非对称，并会随机产生很大的侧向力。大量研究表明：细长体飞行器前机身背风区中线两侧的非对称涡是产生这些随机侧向力的直接原因，侧向力的方向和大小均由这些强度和位置不对称的旋涡决定。因此，迫切需要通过有效的控制手段抑制细长体非对称涡的生成与发展。

等离子体流动控制是一种新概念主动流动控制技术，具有响应时间短、无运动部件、激励频带宽等技术优势，已在机翼增升减阻、压气机扩稳增效和激波特性控制等方面取得重要进展。国际上利用等离子体控制细长体非对称涡的研究始于2003年。在细长体头部施加电弧放电等离子体激励可以改变边界层分离位置，实现对非对称涡结构的控制。但由于电弧放电不稳定，并且产生的高温会烧蚀电极，后续的研究工作转向介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD)等离子体激励。

通过在细长体头部两侧对称地施加正弦波高压驱动的DBD激励，验证了其控制细长体侧向力的有效性。通过进一步优化激励器布局和激励参数等措施，实现了在更宽来流条件(来流速度5～30m/s、攻角35°～50°)下对细长体侧向力和偏航力矩的近似线性比例控制。综合分析现有研究工作：DBD等离子体激励控制非对称涡的作用机理主要是诱导边界层加速，增强边界层抵抗逆压梯度的能力，推迟物面分离点的出现，延迟非对称现象的产生。由于目前采用的等离子体激励器形式单一、控制维度少、作用区域小、诱导边界层加速的能量较弱，其有效控制范围只局限于很窄的流动条件和区域内。一旦细长体飞行器流动条件变化，其背部分离区范围或分离涡相对位置会发生剧烈变化，原有的定量激励根本无法满足实时变化的控制需求，也无法有针对性的做出适当的调整，因此必然存在流动控制手段的环境适应性差的问题。

滑动放电等离子体激励器形式是一种新式等离子体激励器布局，可以解决DBD放电区域小的问题，它可以有效的扩大等离子体放电区域面积，增加等离子体激励诱导射流的控制维度(相关研究结果见2019年1月发表于AIAA Journal的文章《Unsteady Vortex Structure Induced by a Trielectrode Sliding Discharge Plasma Actuator》)。在此基础上，本发明专利提出的丝状滑动放电等离子体激励器可以在细长体头部的局部空间区域产生更强的等离子体激励，提升边界层加速能力(丝状DBD放电等离子体相关的研究结果见2017年10月发表于Plasma Sources Science and Technology的文章《Recent advances in electrohydrodynamic pumps operated by ionic winds:a review》)；此外，闭环流动控制方法可以根据外部流动环境的变化，实时做出响应，满足复杂流动的控制需求。因此，本发明针对细长体飞行器非对称流动所需要的控制能量大、流动变化复杂等特点，创新性的提出丝状滑动放电闭环等离子体流动控制系统，该系统对于细长体非对称分离流动具有控制能力强、环境适应性广的优势。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，能够通过影响细长体背部原有的非对称流动结构，进而实现对细长体侧向力控制的目标。

本发明的另一个目的是提供一种丝状滑动放电闭环等离子体控制方法。

本发明所采用的技术方案是：丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，包括有依次连接的电子扫描阀、嵌入式系统控制器、丝状滑动放电等离子体激励器及电源系统，电源系统还分别与电子扫描阀及嵌入式系统控制器连接。

本发明的特点还在于：

丝状滑动放电等离子体激励器包括有绝缘介质层，绝缘介质层下底面设有下电极层，绝缘介质层上表面设有第一上电极、第二上电极及第三上电极，第一上电极及第三上电极均为丝状电极，第二上电极为等腰三角形电极，第一上电极及第三上电极分别位于第二上电极的两侧成称对分布，第一上电极及第三上电极分别与第二上电极的两腰平行；

第二上电极施加正极性脉冲高电压VNP，第一上电极及第三上电极上分别施加直流高电压VDC1和直流高电压VDC2。

第二上电极的中间部分为镂空结构。

第一上电极及第三上电极的直径为0.01mm-1mm，第一上电极及第三上电极的长度为5cm-200cm，第二上电极的底边边长为5cm-200cm，第二上电极的厚度为0.01mm-0.5mm。

正极性脉冲高电压VNP＝5000V-20000V；直流高电压VDC1＝+6kV～+20kV；直流高电压VDC2＝+6kV～+20kV。

绝缘介质层的厚度为0.5mm-3mm，绝缘介质层的材质为聚四氟乙烯，介电常数为2；第一上电极及第三上电极为钨丝，第二上电极的材质为金属铜。

第二上电极与第一上电极之间的距离为5mm-5cm；第三上电极与第一上电极之间的距离为5mm-5cm。

本发明所采用的另一个技术方案是：

丝状滑动放电闭环等离子体控制方法，采用上述的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，具体实施方法如下：

首先，将丝状滑动放电等离子体激励器安装于细长体尖端头部，将电子扫描阀通过橡胶软管连接至细长体内部表面的压力测量孔，通过电子扫描阀实时测量细长体表面压力变化情况，将嵌入式系统控制器安装在细长体内部，用于控制高压电源输出波形参数，改变等离子体放电的工作状态，电源系统安装在细长体内部，驱动信号由嵌入式系统控制器提供；

然后，通过电子扫描阀的压力测量检测细长体大攻角时所受到的侧向力，嵌入式系统控制器根据电子扫描阀的压力测量结果判断细长体背部上方是否出现非对称分离涡，如果细长体背部上方出现非对称分离涡，并且第一上电极一侧的分离涡比第三上电极一侧的分离涡更靠近细长体的表面，嵌入式系统控制器控制开启丝状滑动放电等离子体激励器，在丝状滑动放电等离子体激励器的第一上电极上施加直流高电压，将第三上电极接地，就会促使第一上电极一侧的产生更强的诱导涡，并且比第三上电极一侧的诱导涡更靠近丝状滑动放电等离子体激励器中心位置；第一上电极一侧诱导涡推开细长体背部其上方原有的分离涡，从而实现细长体非对称分离涡控制，消除侧向力；反之情况亦然。

本发明的特点还在于：

嵌入式系统控制器判断细长体背部上方出现非对称分离涡的标准为：电子扫描阀检测到的实际受力值与理论值的差值的绝对值与理论值的比值不小于5％时判断细长体背部上方出现非对称分离涡。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中的控制系统能够通过影响细长体背部原有的非对称流动结构，进而实现对细长体侧向力控制的目标，其中丝状滑动放电等离子体激励器具有结构简单﹑质量轻﹑厚度小﹑功率低等优点，能够产生稳定、均匀的、控制效果更强、作用范围更大的滑动等离子体放电，通过改变细长体头部丝状滑动放电等离子体激励器的控制参数，可以控制大攻角时细长体的非对称涡结构，消除随机出现的侧向力；

(2)本发明的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统的激励强度高、作用区域大、诱导旋涡强度可控、诱导合成射流可偏转；

(3)本发明的丝状滑动放电闭环等离子体控制方法，改善了传统飞行器的操纵舵面的控制效能，有望极大提升飞机的飞行性能。

附图说明

图1是本发明丝状滑动放电闭环等离子体控制系统的结构示意图；

图2是本发明控制系统中的丝状滑动放电等离子体激励器的结构示意图；

图3是实施例中上电极分布图；

图4是普通DBD激励器的放电图；

图5是本发明中丝状滑动放电等离子体激励器的放电图；

图6是当风速为10米/秒，细长体攻角45°条件下开启丝状滑动放电等离子体激励器和DBD激励器及不开激励细长体背部圧力曲线的变化情况对比图；

图7是实施例开启和关闭等离子体激励的压力曲线对比；

图8是本发明中闭环等离子体控制系统的控制原理示意框图。

图中，1.第一上电极，2.第二上电极，3.第三上电极，4.绝缘介质层，5.下电极层，6.电子扫描阀，7.嵌入式系统控制器，8.丝状滑动放电等离子体激励器，9.电源系统。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，如图1所示，包括有依次连接的电子扫描阀6、嵌入式系统控制器7、丝状滑动放电等离子体激励器8及电源系统9，电源系统9还分别与电子扫描阀6及嵌入式系统控制器7连接。

电子扫描阀6为9816型电子扫描阀；嵌入式系统控制器7的型号为PCM-3356；

如图1-2所示，丝状滑动放电等离子体激励器8包括有包括绝缘介质层4，绝缘介质层4下底面设有下电极层5，绝缘介质层4上表面设有第一上电极1、第二上电极2及第三上电极3，第一上电极1及第三上电极3均为丝状电极，第二上电极2为等腰三角形电极，第一上电极1及第三上电极3分别位于第二上电极2的两腰侧成称对分布，第一上电极1及第三上电极3分别与第二上电极2的两腰平行；

下电极层5为扇形，并位于第一上电极1、第二上电极2及第三上电极3所组合成的上电极的正下方，其两边缘与上电极的外沿相平齐。

第二上电极2施加正极性脉冲高电压VNP，第一上电极1及第三上电极3上分别施加直流高电压VDC1和直流高电压VDC2。

第二上电极2为三角形布局，研究表明：细长体大攻角背部流动属于锥形分离流动，要实现细长体头部流动控制，就需要产生满足寻求并且可以控制的锥形流动，因此采用符合细长体飞行器圆锥头部的三角形表面结构电极，电极中间部分可以是镂空结构，有利于减少上电极能量损耗；第二上电极2的三个角均为圆弧状，防止激励器两电极之间产生尖端放电，生成电弧。

第一上电极1及第三上电极3的直径为0.01mm-1mm；第一上电极1及第三上电极3的长度为5cm-200cm；第二上电极2的底边边长为5cm-200cm，腰长为5cm-200cm；第二上电极2的厚度为0.01mm-0.5mm。

正极性脉冲高电压VNP＝5000V-20000V；直流高电压VDC1＝+6kV～+20kV；直流高电压VDC2＝+6kV～+20kV。

绝缘介质层4的厚度为0.5mm-3mm，优选0.5mm，绝缘介质层4的材质为聚四氟乙烯，优选介电常数为2，但不限于聚四氟乙烯，能满足较小介电常数、抗击穿场强高、耐高温、成本低等条件的其他材料亦可。

第二上电极2与第一上电极1之间的距离为5mm-5cm；第三上电极2与第一上电极1之间的距离为5mm-5cm。

第一上电极1及第三上电极3为钨丝，第二上电极2的材质为金属铜。

当电压峰峰值超过阈值电压时，才会产生等离子体放电，一般等离子体激励器放电的阈值电压高于5000V，每个激励器的最优工作电压存在差异，当施加电压超过最优工作电压时，激励器的气动性能提升幅度不大，并且容易击穿激励器绝缘层，综合考虑激励器性能和寿命，选择电压峰峰值范围为VNP＝5000-20000V，优选8000V；脉冲频率范围为Fp＝1-5000Hz，对于不同流动条件和激励器，最佳脉冲激励频率不同，一般情况下是脉冲频率越高气动激励作用效果越明显，但当频率高于一定范围时，作用效果变化不大，因此优选Fp＝100Hz；等离子体驱动电源种类可选用毫秒、微秒、纳秒和射频脉冲电源。使用纳秒和射频脉冲电源时，会在电源附近产生冲击波和诱导涡。使用毫秒、微秒脉冲电源时，会在电极附近诱导动量加速，产生合成射流和诱导涡。

直流高电压VDC1和VDC2可选择正直流电压，直流电压值过大容易在激励器表面产生电弧，因此直流高电压范围为VDC＝+6kV至+20kV，优选VDC＝+10kV；正直流高电压的选择依据在于：正直流高电压偏置会增大等离子体放电负半周期的电势差，因此可以产生出更大的体积力，对流场产生更大的影响作用。(相关研究结果见2019年2月发表于Journal of Aerospace Engineering,Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G的文章《Flow visualization and mechanisms of three-electrode sliding discharge plasma actuator》)因此，当第一上电极1、第三上电极3施加正直流高电压时，在第二上电极2两侧的诱导涡会分别被左右两边的正向电场拉伸，会产生更多、更强的微小丝状放电，可以加速负流柱等离子体的运动速度，从而形成更强的体积力。

第一上电极1和第三上电极3的材质均为金属钨，这是由于钨丝耐高温、强度高且不容易折断，再综合考虑金属二次电子发射系数以及性价比等因素选择金属钨。但电极的材质不限于钨，能满足导电性能良好、二次电子发射系数高、热传导性好、成本低等条件的其它材料亦可。

第二上电极2的材质为金属铜，但电极的材质不限于铜，能满足导电性能良好、二次电子发射系数高、热传导性好、成本低等条件的其它材料亦可。

本发明还提供了一种丝状滑动放电闭环等离子体控制方法，采用上述的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，具体实施方法如下：

首先，将丝状滑动放电等离子体激励器8安装于细长体尖端头部，将电子扫描阀6通过橡胶软管连接至细长体内部表面的压力测量孔，通过电子扫描阀6实时测量细长体表面压力变化情况，嵌入式系统控制器7体积较小，可安装在细长体内部，用于控制高压电源输出波形参数，改变等离子体放电的工作状态，电源系统9可采用小型化设备，安装在细长体内部，驱动信号由嵌入式系统控制器7提供，经过升压，输出高压脉冲信号，使等离子体激励器放电，诱导气流，改变细长体表面流场结构；

然后，通过电子扫描阀6的压力测量检测细长体大攻角时所受到的侧向力，嵌入式系统控制器7根据电子扫描阀6的压力测量结果判断细长体背部上方是否出现非对称分离涡，如果细长体背部上方出现非对称分离涡，并且第一上电极1一侧的分离涡比第三上电极3一侧的分离涡更靠近细长体的表面，嵌入式系统控制器7控制开启丝状滑动放电等离子体激励器8，在丝状滑动放电等离子体激励器8的第一上电极1上施加直流高电压，将第三上电极3接地，就会促使第一上电极1一侧的产生更强的诱导涡，并且比第三上电极3一侧的诱导涡更靠近丝状滑动放电等离子体激励器8中心位置；第一上电极1一侧诱导涡推开细长体背部其上方原有的分离涡，从而实现细长体非对称分离涡控制，消除侧向力；反之情况亦然；

其中，嵌入式系统控制器7判断细长体背部上方出现非对称分离涡的标准为：电子扫描阀6检测到的实际受力值与理论值的差值的绝对值与理论值的比值不小于5％时判断细长体背部上方出现非对称分离涡；嵌入式系统控制器7根据实际受力值和理论值的差值输出相应的偏差量，控制细长体头部丝状滑动放电等离子体激励器的激励参数(占空比、脉冲频率和最优载波频率)和不同区域激励器的工作状态(开启、关闭)，诱导产生多组左右非对称大尺度旋涡拟序结构，促进分离区内外高、低速气流的动态掺混，减弱并抑制非对称现象的出现，抑制细长体大攻角时随机出现的侧向力，达到期望要求，实现闭环流动控制。

嵌入式系统控制器7根据电子扫描阀6的压力测量结果判断细长体背部上方是否出现非对称分离涡，如果细长体背部上方出现非对称分离涡，并且第一上电极1一侧的分离涡比第三上电极3一侧的分离涡更靠近细长体的表面时，在丝状滑动放电等离子体激励器8的第一上电极1上施加的直流高电压与侧向力系数之间的关系为：y＝25.45x+4.73，

其中x是细长体实际受到的测向力系数(测向力系数：细长体实际所受到侧向力与气流动压和细长体底部面积的乘积之比)和理论值之间差值的绝对值，范围为(0-0.6)。

y为输出直流高压幅值，范围为+6kV～+20kV；

反之情况亦然。

电子扫描阀6采用美国PSI公司的9816型电子扫描阀；

嵌入式系统控制器7的型号为：PCM-3356；

图4是普通DBD激励器放电图，从图4中可见其作用范围只集中在电极附近很小的区域；

从图5中可以看出当施加丝状滑动放电后，等离子体作用区域增大至两个上电极之间的整个区域；

从图6中可以看出，细长体背部中线在180度，0度至180度区域为细长体左舷的压力分布，180度至360度区域为细长体右舷的压力分布。在激励器关闭状态(plasma off)下，细长体右舷的压力峰值高度(接近-0.6，单位量纲为1)明显高于左舷的压力峰值高度(接近0.2，单位量纲为1)，即右侧分离旋涡比左侧分离旋涡更接近细长体背部表面。施加DBD激励后，压力分布曲线变化不大；当施加丝状滑动放电等离子体后(sliding discharge)，左右两侧压力分布高度接近，即细长体背部左右两侧分离涡离细长体表面高度接近，此时表明原本细长体较大的侧向力被抑制。

图8中理论值代表期望得到的实验结果，当嵌入式系统控制器7检测到理论值与电子扫描6阀测量得到的侧向力结果之间存在较大偏差时，会给高压电源调制信号，改变电源系统9(高压电源)的输出电压幅值和脉冲频率，改变丝状滑动放电等离子体激励器8的工作模式和状态，抑制细长体非对称流动现象的产生。通过电子扫描阀6继续测量施加控制后的侧向力。如果此时符合期望要求，就停止整个系统工作；如果不满足要求，继续进行等离子体闭环控制。

实施例

如图3所示，细长体头部丝状滑动放电等离子体激励器8的整个形状为60°扇形，扇形边长15cm。整个丝状滑动放电等离子体激励器8分为上电极，绝缘介质层4和下电极层5。上电极由三个电极组成，第一上电极1长130mm，直径0.1mm；第三上电极3长130mm，直径0.1mm，是第一上电极1以第二上电极2为中心的镜像。第二上电极2为中间镂空的等边三角形，为了避免高电压电弧放电和功率损耗，三角形三个顶角都是平滑的圆弧，三角形每个边长100mm。

绝缘介质层4由厚0.5mm，介电常数为2的聚四氟乙烯薄膜制成。

下电极层5为长160mm的等边三角形铜电极。

风洞工况：实验在低速回流式风洞中进行，风洞尺寸：长宽高为1.2米×1米×1米。实验风速为10米/秒至40米/秒，实验攻角为45度至55度。细长体实验模型总长120厘米，由两部分构成。圆锥头部长20厘米，由绝缘胶布材料制成的圆锥头部，方便开展高电压等离子体放电实验。细长体主体部分长100厘米，由金属材料制成。压力测量设备是电子扫描阀，一端是采集电脑系统，另一端是橡胶测压软管。测压软管连接至细长体内部的测压孔。细长体模型上均匀分布4个测压截面，每个测压截面上间隔15度，设置一个测压孔，一个截面上有24个测压孔。4个测压截面合计96个，可以准确的获得细长体模型的压力分布，进而获得实验模型的侧向力。

从图7可以看出：在不施加等离子体激励的情况下，由电子扫描阀传感器检测到细长体所受的侧向力系数，发现右侧压力分布系数幅值较高，达到-0.35，说明细长体右侧分离涡较强、更加靠近细长体物面。嵌入式系统控制器对比理论期望值与侧向力系数，经过计算机内部处理，根据之前设置好的控制规律，输出电源调制控制量。高压电源收到调制信号后，将第一上电极1直流高电压保持低压状态，第三上电极3直流高电压升高至10千伏，第二上电极2施加8千伏毫秒脉冲调制高电压，下电极层5接地。此时，细长体背部右侧第二上电极2和第三上电极3之间将形成体积力较强、放电强度较高的大范围均匀滑动等离子体放电，形成较强的诱导射流。此时细长体右侧旋涡的空间位置被诱导射流改变，逐渐远离细长体物面。此时，电子扫描阀继续检测侧向力系数，并根据侧向力与理论值之差调整等离子体激励器输出工作状态，改变细长体背部分离涡的空间位置，一直循环检测与实时控制，直到满足实际受力值与理论值的差值的绝对值与理论值的比值不大于5％的要求为止。