一种高超声速内表面等离子直流脉冲风洞气流助力推进系统技术方案

本发明专利技术涉及一种高超声速内表面等离子直流脉冲风洞气流助力推进系统，属于风洞管道内动力技术领域。外表面沿着运动方向垂直间隔嵌入圆环形2对电极条，每一对电极条由IN1电极条及IN2对偶电极条构成，通过风洞管道内表面等离子直流脉冲实现辅助推进及姿态控制，通过驱动两组直流脉冲等离子驱动；两种电极IN1和IN2电压脉冲极性相反，通过驱动双直流脉冲等离子驱动；采用直流脉冲等离子驱动PWM调制系统以AT89S52单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及直流脉冲功率放大驱动模块组成，实现数码精确控制，彻底改变了风洞管道内的推进方式，更为节能，从原理上消除了风洞管道内壁阻力的来源，极具发展潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种高超声速内表面等离子直流脉冲风洞气流助力推进系统
本专利技术涉及一种高超声速内表面等离子直流脉冲风洞气流助力推进系统，属于风洞实验

技术介绍
高超声速风洞的技术难点：（1）动力系统：高速气流进行压缩，输入到封风动系统管道内，高速气流会产生激波和乱流，使得气流不稳定；（2）高超声速风洞研发过程中遇到的另一个难题就是气动加热问题，即所谓热障。风动管道内壁由于激波和粘性的作用，其周围空气温度急剧升高，形成剧烈的气动加热环境，为克服热障，尽可能降低进入风洞管道内的气动加热率，即热流。作为防热材料使用时有其特殊要求。首先要有大的比热，这样单位质量的材料才能吸收更多的热量；其次要有高的导热率，只有这样才能使热沉材料的温差不致过大，由于热沉材料的破坏温度一般不是很高，要想吸收大量的热，就必须大量增加热沉材料的质量，形成比较笨重的防热系统。辐射防热主要利用材料的辐射特性。就是将其表面的气动热再以辐射的形式散发出去。由于辐射热流与表面温度的四次方成正比，因此，选用的辐射防热材料不仅要有高辐射特性外，而且还必需有低导热率和耐高温特性。这些都是高超声速风洞无法绕过的难题。从目前的情况来看，高超声速风洞达到一定的速度之后，技术上遇到了瓶颈，由于热障的存在，极大地消耗了空气压缩机的能量，进一步提高风洞内部的风速，变得越来越困难。另一方面，由于高超声速风洞的表面为高温等离子体，等离子体是荷电粒子流，在电场的作用下会发生运动，若给一个恰当的电场，则可以通过控制电场频率及电压，实现高温等离子体的定向运动，这种新的技术可突破高超声速风洞所遇到的技术瓶颈，使得高超声速风洞能够提供稳定的气流。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高超声速内表面等离子直流脉冲风洞气流助力推进系统，通过风洞管道内表面等离子直流脉冲实现高超声速气流辅助推进控制。本专利技术的技术方案是：IN1电极条（2）、IN2对偶电极条（3）和直流脉冲等离子驱动控制系统构成；风洞管道内的整个内表面沿着运动方向垂直间隔嵌2对圆环电极条，每一对电极条由IN1电极条（2）及IN2对偶电极条（3）构成，IN1电极条（2）、IN2对偶电极条（3）均相互平行排列；风洞管道内外壳层采用耐高温绝缘材料，管道内壁表层嵌入的电极条后与风洞管道内壁层共同打磨，构成光滑的内表面。直流脉冲功率放大驱动模块：直接采用直流脉冲对风洞管道内表面等离子定向驱动进行控制，通过驱动两组直流脉冲等离子驱动；在高超声速风洞内表面嵌入有两种电极IN1和IN2，两组电极电压脉冲极性相反，通过驱动双直流脉冲等离子驱动；输入端IN1为间断脉冲信号ΦIN1=-Aexp(u1+ωt)，IN2为另一组间断脉冲信号ΦIN2=Aexp(u2+ωt)，IN1与IN2输出的脉冲电压和脉宽频率完全相同，两组脉冲电压存在的唯一差异就是存在一个微小的相位差u2-u1=ω∙Δt，其中Δt≤ΔL/v，ΔL是两组电极之间的相对位置的间隔距离；当u2-u1≥0，为正向加速，此时，第一组电极的正负电极周围的聚集了相反电荷的等离子体，在电极电压消失的瞬间，第二组正负电极出现相反的正负电压，在静电的作用下，聚集在第一组电极表面的等离子体向第二组电极移动；这种移动在高超声速风洞表面同时存在，移动的位移量为ΔL；这样的过程通过脉冲电压反复进行，这样就实现了等离子体在高超声速表面的移动；当u2-u1≤0，为负向加速，整个过程正向相同，但等离子体表面的移动方向相反，这样就使得高超声速飞行体表面的等离子体与运动方向相反，而发生减速；u2-u1之间的相位差值是通过控制脉冲相位实现的；相位脉冲的强弱采用功率放大器进行功率放大，从而实现直流脉冲等离子驱动力的控制，如图1所示；该控制系统设置有传感器，温度信号通过PL1.1端口输入，用于获知风洞管道内表面温度；加速度信号通过PL1.2端口输入，用于获知风洞管道内的运动状态；该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对蓄电池进行充电，蓄电池为直流脉冲等离子驱动控制系统模块供电；共有3种工作状态，分别是1.加力向前直行控制；2.直行减速驱动控制；3.无驱动控制状态。直流脉冲等离子驱动控制系统的主要功能包括：实现对直流脉冲等离子驱动的加速、减速以及恒速直流脉冲等离子驱动控制，通过调整直流脉冲等离子驱动的占空比改变高压脉冲频率，能够很方便的实现直流脉冲等离子驱动的智能控制；系统硬件模块组成：（1）直流脉冲等离子驱动控制系统模块；（2）L298直流脉冲功率放大驱动模块；（3）LED显示模块；（4）操控推杆独立式键盘控制模块。显示模块：采用LED数码显示实现对脉宽调制占空比的实时显示。操控推杆独立式键盘控制模块：独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下，所有按键均为干簧开关构成，遥控推杆带有磁力，遥控推杆的位置不同，给出的按键数据发生改变，脉冲相位控制可以通过编写软件程序进行识别控制；操控推杆（4）在无推动状态下，操控推杆设有回位弹簧，回到中间位，任何按键都没有接通，所有的干簧开关处于断开状态，所有的驱动装置处于无电流状态，风洞管道内停止助力；操控推杆（4）向后，KEYF导通，进入减速模式；操控推杆（4）用力向前时，KEYG导通，进入加速模式，四组电极电压脉冲频率和电压脉冲高度同步，u2-u1=ω∙Δt，其中Δt<ΔL/v处于加力状态，风洞管道内加速运动。本专利技术的工作原理是：直接采用直流脉冲对风洞管道内表面等离子定向驱动进行控制，通过驱动两组直流脉冲等离子驱动；风洞管道内表面设有两种电极IN1和IN2，两组电极电压脉冲极性相反，通过驱动双直流脉冲等离子驱动；输入端IN1为间断脉冲信号ΦIN1=-Aexp(u1+ωt)，IN2为另一组间断脉冲信号ΦIN2=Aexp(u2+ωt)，IN1与IN2输出的脉冲电压和脉宽频率完全相同，两组脉冲电压存在的唯一差异就是存在一个微小的相位差u2-u1=ω∙Δt，其中Δt≤ΔL/v，ΔL是两组电极之间的相对位置的间隔距离；当u2-u1≥0，为正向加速，此时，第一组电极的正负电极周围的聚集了相反电荷的等离子体，在电极电压消失的瞬间，第二组正负电极出现相反的正负电压，在静电的作用下，聚集在第一组电极表面的等离子体向第二组电极移动；这种移动在高超声速风洞表面同时存在，移动的位移量为ΔL；这样的过程通过脉冲电压反复进行，这样就实现了等离子体在高超声速表面的移动；当u2-u1≤0，为负向加速，整个过程正向相同，但等离子体表面的移动方向相反，这样就使得高超声速飞行体表面的等离子体与运动方向相反，而发生减速；直流脉冲等离子驱动调PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，调制脉冲宽度，如果一组脉冲宽度与另一组脉冲宽度不一样，两组直流脉冲的脉宽存在一个差值，这个差值满足u2-u1=ω∙Δt，就实现了两组脉冲相位差的控制。该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对蓄电池进行充电，蓄电池为直流脉冲等离子驱动控制系统模块供电；共有3种工作状态，分别是1.加力向前直行控制；2.直行减速驱动控制；3.无加力状态。驱动输出控制通过速度操控推杆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高超声速内表面等离子直流脉冲风洞气流助力推进系统，其特征在于：IN1电极条（2）、IN2对偶电极条（3）和直流脉冲等离子驱动控制系统构成；风洞管道内的整个内表面沿着运动方向垂直间隔嵌2对圆环电极条，每一对电极条由IN1电极条（2）及IN2对偶电极条（3）构成，IN1电极条（2）、IN2对偶电极条（3）均相互平行排列；风洞管道内外壳层采用耐高温绝缘材料，管道内壁表层嵌入的电极条后与风洞管道内壁层共同打磨，构成光滑的内表面；该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对蓄电池进行充电，蓄电池为直流脉冲等离子驱动控制系统模块供电；共有3种工作状态，分别是1. 加力向前直行控制；2.直行减速驱动控制；3.无驱动控制状态；直流脉冲等离子驱动控制系统的主要功能包括：实现对直流脉冲等离子驱动的加速、减速以及恒速直流脉冲等离子驱动控制，通过调整直流脉冲等离子驱动的占空比改变高压脉冲频率，能够很方便的实现直流脉冲等离子驱动的智能控制；系统硬件模块组成：（1）直流脉冲等离子驱动控制系统模块；（2）L298直流脉冲功率放大驱动模块；（3）LED显示模块；（4）操控推杆独立式键盘控制模块；采用LED数码显示实现对脉宽调制占空比的实时显示；独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。...

【技术特征摘要】
1.一种高超声速内表面等离子直流脉冲风洞气流助力推进系统，其特征在于：IN1电极条（2）、IN2对偶电极条（3）和直流脉冲等离子驱动控制系统构成；风洞管道内的整个内表面沿着运动方向垂直间隔嵌2对圆环电极条，每一对电极条由IN1电极条（2）及IN2对偶电极条（3）构成，IN1电极条（2）、IN2对偶电极条（3）均相互平行排列；风洞管道内外壳层采用耐高温绝缘材料，管道内壁表层嵌入的电极条后与风洞管道内壁层共同打磨，构成光滑的内表面；该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对蓄电池进行充电，蓄电池为直流脉冲等离子驱动控制系统模块供电；共有3种工作状态，分别是1.加力向前直行控制；2.直行减速驱动控制；3.无驱动控制状态；直流脉冲等离子驱动控制系统的主要功能包括：实现对直流脉冲等离子驱动的加速、减速以及恒速直流脉冲等离子驱动控制，通过调整直流脉冲等离子驱动的占空比改变高压脉冲频率，能够很方便的实现直流脉冲等离子驱动的智能控制；系统硬件模块组成：（1）直流脉冲等离子驱动控制系统模块；（2）L298直流脉冲功率放大驱动模块；（3）LED显示模块；（4）操控推杆独立式键盘控制模块；采用LED数码显示实现对脉宽调制占空比的实时显示；独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。2.因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下，所有按键均为干簧开关构成，遥控推杆带有磁力，遥控推杆的位置不同，给出的按键数据发生改变，脉冲相位控制可以通过编写软件程序进行识别控制；操控推杆（4）在无推动状态下，操控推杆设有回位弹簧，回到中间位，任何按键都没有接通，所有的干簧开关处于断开状态，所有的驱动装置处于无电流状态，风洞管道内停止助力；操控推杆（4）向后，KEYF导通，进入减速模式；操控推杆（4）用...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈蜀乔，
申请(专利权)人：陈蜀乔，
类型：发明
国别省市：云南,53