丝状滑动放电闭环等离子体控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开的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。本发明专利技术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。本发明专利技术还提供了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，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。

Closed-loop plasma control system for filamentary sliding discharge and its control method

【技术实现步骤摘要】
丝状滑动放电闭环等离子体控制系统及其控制方法
本专利技术属于空气动力学、等离子体物理和流动控制
，具体涉及一种丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，本专利技术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。
技术介绍
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(DielectricBarrierDischarge，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AIAAJournal的文章《UnsteadyVortexStructureInducedbyaTrielectrodeSlidingDischargePlasmaActuator》)。在此基础上，本专利技术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PlasmaSourcesScienceandTechnology的文章《Recentadvancesinelectrohydrodynamicpumpsoperatedbyionicwinds:areview》)；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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的特点还在于：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。本专利技术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。本专利技术的特点还在于：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。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术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，消本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，其特征在于，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)，所述电源系统(9)还分别与电子扫描阀(6)及嵌入式系统控制器(7)连接。

【技术特征摘要】
1.丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，其特征在于，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)，所述电源系统(9)还分别与电子扫描阀(6)及嵌入式系统控制器(7)连接。2.如权利要求1所述的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，其特征在于，所述丝状滑动放电等离子体激励器(8)包括有绝缘介质层(4)，所述绝缘介质层(4)下底面设有下电极层(5)，所述绝缘介质层(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)，所述第一上电极(1)及第三上电极(3)均为丝状电极，所述第二上电极(2)为等腰三角形电极，所述第一上电极(1)及第三上电极(3)分别位于第二上电极(2)的两侧成称对分布，所述第一上电极(1)及第三上电极(3)分别与第二上电极(2)的两腰平行；所述第二上电极(2)施加正极性脉冲高电压VNP，所述第一上电极(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。3.如权利要求2所述的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，其特征在于，所述第二上电极(2)的中间部分为镂空结构。4.如权利要求2所述的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，其特征在于，所述第一上电极(1)及第三上电极(3)的直径为0.01mm-1mm，所述第一上电极(1)及第三上电极(3)的长度为5cm-200cm，所述第二上电极(2)的底边边长为5cm-200cm，所述第二上电极(2)的厚度为0.01mm-0.5mm。5.如权利要求2所述的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，其特征在于，所述正极性脉冲高电压VNP＝5000V-20000V；直流高电压VDC1＝+6kV～+20kV；直流高电压VDC2＝+6kV～+20kV。6.如权利要求2所述的丝状滑动放电闭环等离子体控制系统，其特征在于，所述绝缘介质层(4)的厚度为0.5mm-3mm，所述绝缘介质层(4)的材质为聚四氟乙烯，介电常数为2；所述第一上电极(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑博睿，葛畅，薛明，王玉帅，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61