一种环形等离子体激励器及其气动激励产生方法与流程

[0001]
本发明涉及一种环形等离子体激励器及其气动激励产生方法，属于等离子体激励器技术领域。


背景技术：

[0002]
等离子体主动流动控制技术以其响应时间短、激励频带宽等技术优点，在改善飞行器空气动力性能方面具有潜在应用前景。实现该技术的关键器件是等离子体激励器，它直接决定了等离子体流动控制的性能。
[0003]
目前，研究较为广泛的等离子体激励器类型有介质阻挡放电等离子体激励器、电晕放电等离子体激励器等。它们的气动激励特性主要包括了冲击、加热和定向加速。从公开文献表明，在低速分离流的控制中这些激励器具有良好的激励效果，但是在高速气流中，由于激励强度普遍比较小，激励效果通常较差。


技术实现要素：

[0004]
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种环形等离子体激励器及其气动激励产生方法，本发明具有独特的旋转气动扰动特性，激励强度更大，激励强度更加稳定可控。
[0005]
本发明采用的技术方案如下：
[0006]
一种环形等离子体激励器，包括绝缘基板，其上套设有多个环形电极，相邻两环形电极之间具有环形的等离子体通道；
[0007]
磁场发生器，其产生垂直于绝缘基板并覆盖等离子体通道的磁场；
[0008]
电源，其分别连通相邻两环形电极。
[0009]
需要说明的是，套设是指：一个环形电极的圈内设有一个与其不接触的另一个环形电极，从而形成一环套一环多个不接触的环形电极，相邻两个环形电极的环形间距即环形的等离子体通道，最内圈的环形电极可以是实心的形状，只要其能够与相邻的环形电极形成环形的等离子体通道即可。
[0010]
需要指出的是，本发明中采用直流电源，直流电源能够稳定的产生沿一个方向旋转的环形旋流等离子体；采用交流电源由于正负极的变化，等离子体的旋转方向会随着交流电源正负极的变化而换向。
[0011]
在本发明中，电源对相邻两个环形电极施加电压，环形的等离子体通道即为放电区域；而磁场与电场构成正交电磁场。本发明的基本原理是：电源对相邻两个环形电极施加电压，两环形电极之间放电，等离子体通道的空气被电离产生带电粒子，而带电粒子在电磁场中受到洛伦兹力作用会沿放电电极做定向迁移运动；运动过程中，带电粒子与中性粒子碰撞，并将动量传递给中性粒子，从而在宏观上产生气动扰动，由于电极为环形结构，从而形成具有独特的旋流特性的扰动形式，产生环形旋转的等离子体激励效果。
[0012]
与介质阻挡放电等离子体激励器、合成射流等离子体激励器、电晕放电等离子体
激励器相比，本发明在气动激励特性上除了具有冲击特性，加热特性，还具有独特的旋转气动扰动特性，使得本发明的激励强度更大；且本发明的放电区域为闭合环形结构，工作时放电具有连续性，使得其激励强度更加稳定可控。
[0013]
在本发明中，通过控制电源施加的电场强度控制放电强度，电源的电压越大放电强度越大，电源的电压越小放电强度越小；通过控制磁场强度控制等离子体的转动速度，磁场强度越大等离子体的转动速度越快，磁场强度越小等离子体的转动速度越快慢；从而通过控制电源和磁场能够实现激励强度的可控调节。
[0014]
作为优选，所述绝缘基板上套设有两个环形电极。
[0015]
在上述方案中，由外到内设置第一环形电极和第二环形电极，两环形电极形成第一等离子体通道，通电后形成一圈环形旋流的等离子体。
[0016]
作为优选，所述绝缘基板上套设两个以上的环形电极。
[0017]
在上述方案中，由外到内设置第一环形电极、第二环形电极、
……
、第n环形电极，相邻两环形电极之间由外到内形成第一等离子体通道、第二等离子体通道、
……
、第n-1等离子体通道,其中n表示环形电极的数量；环形电极的数量可根据需要设置如3、4、5或者更多，相邻两环形电极则会形成多个等离子体通道(等离子体通道的数量比环形电极的数量少一个)，各个相邻两环形电极之间独立连接一个电源，在使用时可以产生多圈环形旋流的等离子体。
[0018]
作为优选，所述电源为直流电源。
[0019]
在上述方案中，直流电源能够稳定的产生沿一个方向旋转的环形旋流等离子体。
[0020]
作为优选，所述绝缘基板上套设多个同轴的环形电极。
[0021]
在上述方案中，多个同轴且形状相同的环形电极，产生的等离子体通道宽度一致，从而产生的环形旋流等离子体旋转更稳定。
[0022]
作为优选，所述环形电极的形状为圆环形。
[0023]
在上述方案中，圆环形的环形电极形成圆环形的旋流等离子体。
[0024]
作为优选，所述环形电极的形状为椭圆形。
[0025]
作为优选，所述环形电极为多个弧形和/或直线首尾相连形成的闭环形状。
[0026]
作为优选，所述环形电极为多边形，作为进一步的优化，所述多边形的夹角经过倒圆处理。
[0027]
在上述方案中，将多边形的夹角进行倒圆角处理，能够避免带电粒子在夹角处聚集。
[0028]
作为优选，所述环形电极的材质为铜或镍。
[0029]
在上述方案中，铜、镍的导电性良好，可以通过电镀或烧结的方式附着于绝缘基板表面，并且附着力好。
[0030]
作为优选，所述绝缘基板的材质为氧化物陶瓷或氮化物陶瓷。
[0031]
作为优选，所述绝缘基板的材质为氧化铝陶瓷。
[0032]
在上述方案中，氧化物陶瓷具有较高的机械强度、电绝缘性能、耐高温和化学稳定性。
[0033]
作为优选，所述激励器中还串联功率电阻。
[0034]
在上述方案中，放电回路中串入一个功率电阻，在放电后用于防止放电电流过大
而烧坏激励器。
[0035]
作为优选，所述多个环形电极与电源连接的引线互不相交。
[0036]
作为优选，所述绝缘基板上设置位于内圈环形电极下的过孔，用于连接绝缘基板另一面上的引线，使得多个环形电极与电源连接的引线互不相交。
[0037]
在上述方案中，避免引线相交引起短路。
[0038]
作为优选，所述绝缘基板上设置焊盘，所述焊盘通过引线与环形电极连接，以便于和电源连接。
[0039]
作为优选，所述磁场发生器为永磁铁或电磁铁。
[0040]
作为优选，所述磁场为定常磁场。
[0041]
在上述方案中，磁场强度不变且不间断的磁场能够使得环形旋流等离子体稳定。
[0042]
一种环形等离子体气动激励产生方法，套设的两环形电极之间施加电场，通过与电场正交的磁场作用，两环形电极之间产生环形旋转的等离子体气动激励。
[0043]
在本发明中，电源对相邻两个环形电极施加电场，两环形电极之间放电，两环形电极之间的空气被电离产生带电粒子，而带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用会沿放电电极做定向迁移运动；运动过程中，带电粒子与中性粒子碰撞，并将动量传递给中性粒子，从而在宏观上产生气动扰动，由于电极为环形结构，从而形成具有独特的旋流特性的扰动形式，产生环形旋转的气动激励效果。
[0044]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0045]
1、具有独特的旋转气动扰动特性；
[0046]
2、激励强度更大，激励强度更加稳定可控；
[0047]
3可同时产生多个环形旋流等离子体。
附图说明
[0048]
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0049]
图1是等离子体激励器的第一种示意图；
[0050]
图2是等离子体激励器的第二种示意图；
[0051]
图3是绝缘基板的第一种正面示意图；
[0052]
图4是绝缘基板的第一种背面示意图；
[0053]
图5是等离子体激励器的第三种示意图；
[0054]
图6是绝缘基板的第二种正面示意图；
[0055]
图7是绝缘基板的第二种背面示意图；
[0056]
图8是等离子体激励器的第四种示意图；
[0057]
图9是绝缘基板的第三种正面示意图；
[0058]
图10是绝缘基板的第三种背面示意图；
[0059]
图11是绝缘基板的第四种正面示意图；
[0060]
图12是绝缘基板的第五种正面示意图；
[0061]
图13是绝缘基板的第六种正面示意图。
[0062]
图中标记：1-绝缘基板、2-环形电极、3-等离子体通道、4-磁场发生器、5-电源、6-功率电阻、11-过孔、12-引线、13-焊盘、21-第一环形电极、22-第二环形电极、23-第三环形
电极、24-第四环形电极、31-第一等离子体通道、32-第二等离子体通道、33-第三等离子体通道。
具体实施方式
[0063]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0064]
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0065]
实施例1
[0066]
如图1所示，本实施例的一种环形等离子体激励器，包括材质为氧化铝陶瓷的绝缘基板1，其上套设两个材质为铜的环形电极2，两环形电极2之间具有环形的等离子体通道3；
[0067]
设置于绝缘基板1下方的永磁铁磁场发生器4，产生垂直于绝缘基板1并覆盖等离子体通道3的磁场；
[0068]
直流电源5的正负极分别连通两环形电极2。
[0069]
在实施例中，直流电源5对两个环形电极2施加直流电场，两环形电极2之间放电，等离子体通道3的空气被电离产生带电粒子，而带电粒子在电磁场中受到洛伦兹力作用沿放电电极做定向迁移运动；运动过程中，带电粒子与中性粒子碰撞，并将动量传递给中性粒子，从而在宏观上产生气动扰动，由于电极为环形结构，从而形成具有独特的旋流特性的扰动形式，产生环形旋转的气动激励效果。
[0070]
实施例2
[0071]
如图2-4所示，本实施例的一种环形等离子体激励器，包括材质为氮化硅陶瓷的绝缘基板1，绝缘基板1上设置材质为镍且同轴的第一环形电极21和第二环形电极22，第一环形电极21为圆环形，第二环形电极22为圆形，两环形电极2之间形成圆环形的第一等离子体通道31；
[0072]
绝缘基板1上设置位于第二环形电极22下的过孔11，通过引线12连通第二环形电极22和绝缘基板1背面的焊盘13，第一环形电极21通过引线12与绝缘基板1正面的焊盘13连通，两个环形电极2的引线12互不相交，避免短路；
[0073]
设置于绝缘基板1下方的电磁铁磁场发生器4，产生垂直于绝缘基板1并覆盖第一等离子体通道31的定常磁场；
[0074]
直流电源5的正极连通第一环形电极21，负极连通第二环形电极22；电路中还串联一个功率电阻6，用于防止放电电流过大而烧坏激励器。
[0075]
在本实施例中，通电后第一等离子体通道31产生圆环形的旋流等离子体。
[0076]
当然，作为可替代方式，在其他实施例中，直流电源5的负极连通第一环形电极21，正极连通第二环形电极22，从而产生与实施例2旋转方向相反的圆环形旋流等离子体。
[0077]
实施例3
[0078]
如图5-7所示，本实施例的一种环形等离子体激励器，包括材质为氧化锆陶瓷的绝缘基板1，绝缘基板1上由外到内设置材质为铜且同轴的第一环形电极21、第二环形电极22和第三环形电极23，第一环形电极21和第二环形电极22为圆环形，第三环形电极23为圆形，
第一环形电极21和第二环形电极22之间形成圆环形的第一等离子体通道31，第二环形电极22和第三环形电极23之间形成圆环形的第二等离子体通道32；
[0079]
绝缘基板1上分别设置位于第二环形电极22和第三环形电极23下的过孔11，通过引线12分别连通第二环形电极22、第三环形电极23和绝缘基板1背面的焊盘13，第一环形电极21通过引线12与绝缘基板1正面的焊盘13连通，三个环形电极2的引线12互不相交，避免短路；
[0080]
设置于绝缘基板1下方的电磁铁磁场发生器4，产生垂直于绝缘基板1并覆盖第一等离子体通道31和第二等离子体通道32的定常磁场；
[0081]
两个直流电源5，其中一个直流电源5的正极连通第一环形电极21，负极连通第二环形电极22；另一个直流电源5的正极连通第二环形电极22，负极连通第三环形电极23。两个电路中均串联一个功率电阻6，用于防止放电电流过大而烧坏激励器
[0082]
在本实施例中，通电后第一等离子体通道31和第二等离子体通道32均产生圆环形的旋流等离子体。
[0083]
当然，作为可替代方式，在其他实施例中，两个直流电源5的正负极可以根据需要交换极性，从而在第一等离子体通道31和第二等离子体通道32产生不同旋转方向的圆环形旋流等离子体。
[0084]
实施例4
[0085]
如图8-10所示，本实施例的一种环形等离子体激励器，包括材质为氮化硼陶瓷的绝缘基板1，绝缘基板1上由外到内设置材质为镍且同轴的第一环形电极21、第二环形电极22、第三环形电极23和第四环形电极24，第一环形电极21、第二环形电极22和第三环形电极23为圆环形，第四环形电极24为圆形，第一环形电极21和第二环形电极22之间形成圆环形的第一等离子体通道31，第二环形电极22和第三环形电极23之间形成圆环形的第二等离子体通道32，第三环形电极23和第四环形电极24之间形成圆环形的第三等离子体通道33；
[0086]
绝缘基板1上分别设置位于第二环形电极22、第三环形电极23和第四环形电极24下的过孔11，通过引线12分别连通第二环形电极22、第三环形电极23、第四环形电极24和绝缘基板1背面的焊盘13，第一环形电极21通过引线12与绝缘基板1正面的焊盘13连通，四个环形电极2的引线12互不相交，避免短路；
[0087]
设置于绝缘基板1下方的永磁铁磁场发生器4，产生垂直于绝缘基板1并覆盖第一等离子体通道31、第二等离子体通道32和第三等离子体通道33的定常磁场；
[0088]
三个直流电源5，其中第一个直流电源5的正极连通第一环形电极21，负极连通第二环形电极22；第二个直流电源5的正极连通第二环形电极22，负极连通第三环形电极23；第三个直流电源5的正极连通第三环形电极23，负极连通第四环形电极24。三个电路中均串联一个功率电阻6，用于防止放电电流过大而烧坏激励器。
[0089]
在本实施例中，通电后第一等离子体通道31、第二等离子体通道32和第三等离子体通道33均产生圆环形的旋流等离子体。
[0090]
当然，作为可替代方式，在其他实施例中，三个直流电源5的正负极可以根据需要交换极性，从而在第一等离子体通道31、第二等离子体通道32和第三等离子体通道33产生不同旋转方向的圆环形旋流等离子体。
[0091]
实施例5
[0092]
本实施例公开了一种环形等离子体气动激励产生方法，在套设的两环形电极之间施加直流电场，通过与电场正交的磁场作用，两环形电极之间产生环形旋转的等离子体气动激励。
[0093]
作为可替代方式，如图11所示，多个环形电极不同轴，同样通电后可以产生环形旋流等离子体。
[0094]
作为可替代方式，如图12所示，环形电极的形状为椭圆形，可产生椭圆形的环形旋流等离子体。
[0095]
作为可替代方式，如图13所示，环形电极为夹角经过倒圆处理的正方形。
[0096]
当然，作为可替代方式，环形电极的形状可以根据需要设置，在其他实施例中，环形电极为多个弧形和/或直线首尾相连形成的闭环形状。
[0097]
当然，环形电极的数量并不局限上述实施例，可以根据需要，在其他实施例中将环形电极的数量设置为5、6、7、8或者更多。
[0098]
当然，作为可替代方式，在其他实施例中，电源可以是交流电源，从而产生旋流方向交替换向的气动激励效果。
[0099]
并且在上述实施例中，由于是通过独立的电路控制相邻的两个环形电极，所以可以通过控制电路开关同时产生多个环形旋流等离子体，也可以开启部分电路产生所需要的环形旋流等离子体。
[0100]
综上所述，采用本发明的一种环形等离子体激励器及其气动激励产生方法，具有独特的旋转气动扰动特性；激励强度更大，激励强度更加稳定可控；可同时产生多个环形旋流等离子体。
[0101]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。