基于等离子体的高超声速风洞制造技术

本发明专利技术提供了一种基于等离子体的高超声速风洞，用以解决现有技术中风洞无法兼具高马赫数和长工作时间的问题。所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源、中性化室、中性化气体流道、试验段、扩压器、真空舱、真空泵组，还包括设置在等离子体束源、中性化室之间的粒子回旋共振加速器；通过中性化室结合等离子束源及粒子回旋共振加速器获得试验用定向的中性气体束流，利用风洞流道改变中性气体束流的基本参数，符合风洞试验需求，试验后的中性气体通过扩压器减速增压，流入真空舱进行工质收集。本发明专利技术获得用于风洞试验的马赫数大于10的高超声速气流，有效工作时间大于1min，且对环境无污染。

【技术实现步骤摘要】
基于等离子体的高超声速风洞
本专利技术属于等离子体风洞领域，具体涉及一种基于等离子体的高超声速风洞。
技术介绍
高超声速风洞指风洞试验段气流马赫数在5以上的风洞，在航空航天领域至关重要。传统的高超声速风洞，主要有暂冲式风洞、激波管风洞、燃烧风洞、电弧风洞等。其中，暂冲式风洞利用高压气体通过拉伐尔喷管形成高速气流，由于工作原理的限制，暂冲式风洞的工作时间极短。激波管风洞是利用两级激波管形成高压气体，再通过拉法尔喷管加速至高超声速，激波管风洞可以达到更高的风速，但是工作时间短，一般工作时间为几毫秒到几十毫秒之间。燃烧风洞或电弧风洞在激波管风洞的基础上演化而成，利用燃烧或者电弧增加激波管内气体的内能，这些风洞的工作时间稍长，但也很难达到100毫秒；同时，燃烧风洞的组分存在污染问题，电弧风洞存在马赫数小的问题，严重制约了地面试验的有效性。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本专利技术旨在提供一种基于等离子体的高超声速风洞，利用粒子回旋共振对层流等离子体束源的等离子体进行加速，再利用高速等离子体及中性化室得到高速的中性化气体，从而获得高超声速风洞，所述风洞具有高马赫数，同时兼具长工作时间，且对环境无污染。为了实现上述目的，本专利技术实施例采用如下技术方案：本专利技术实施例提供了一种基于等离子体的高超声速风洞，所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源1、中性化室3、中性气体流道4、试验段5、扩压器6、真空舱7、真空泵组8；其中，所述等离子体束源1用于提供等离子体束流；<br>所述中性化室3内具有定向中性气体束流及定向磁场，用于使等离子体束流定向移动并与中性气体束流进行能量交换，获得试验用定向中性气体束流；所述中性气体流道4连通所述中性化室3和试验段5，用于为所述试验用定向中性气体束流提供运输通道；所述试验段5为风洞洞体部分，用于为高超声速气动试验提供气动实验场所；所述扩压器6连通所述试验段5和真空舱7，用于使试验后的中性气体束流减速增压；所述真空舱7用于回收工质；所述真空泵组8用于对真空舱7抽真空，为所述高超声速风洞提供低压环境。上述方案中，所述高超声速风洞在等离子体束源1后、中性化室3前还包括粒子回旋共振加速器2。上述方案中，所述等离子体束流在进入粒子回旋共振加速器前的速度为1.5～2.5km/s；经过粒子回旋共振加速器加速后，等离子体速度为3～7km/s。上述方案中，所述粒子回旋共振加速器2包括射频线圈21和平行磁场22；等离子体束流进入粒子回旋共振加速器，利用射频线圈21供电产生粒子回旋共振加速，加速后的等离子体中电子和离子在平行磁场22中沿着磁场运动，保持带电粒子的磁矩守恒。上述方案中，等离子体束源1和粒子回旋共振加速器2构成二级粒子加速器；所述粒子回旋共振加速器2可以为一级或多级，完成对等离子束流的加速过程。上述方案中，所述等离子体束源1为层流等离子体束源，提供层流等离子体束流。上述方案中，所述层流等离子体束源是50kW的层流等离子体发生器。上述方案中，所述中性化气体流道4为渐阔型或直管型。上述方案中，所述扩压器6包括首尾相连的渐缩管和渐阔管，渐缩管完成试验后中性气体的增压，渐阔管完成试验后中性气体的减速。上述方案中，所述中性化室3气体压力为1～300Pa；所述真空舱8内的气体压力为1～300Pa。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术采用中性化室结合等离子束源获得用于风洞试验的定向中性气体束流，利用风洞流道改变中性气体束流的基本参数，符合试验需求，试验后的中性气体通过扩压器减速增压，流入真空舱进行收集，节约能源及工质。本专利技术的高超声速风洞，在试验段高超声速气流马赫数大于10，有效工作时间大于1min，且对环境无任何污染，同时实现能源的节约利用。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术实施方式中基于等离子体的高超声速风洞结构示意图；图2为本专利技术实施方式中粒子回旋共振加速器对层流等离子体加速原理示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。本专利技术提供了一种基于等离子体的高超声速风洞，利用层流等离子体束源提高等离子体，通过粒子回旋共振加速器对等离子体进行加速，再采用中性化室获得试验用定向中性气体束流，使所获得高超声速风洞具有10马赫的风速，同时工作时间不低于1min，且对环境无染污。图1示出了本专利技术实施方式中基于等离子体的高超声速风洞结构。如图1所示，所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源1、中性化室3、中性气体流道4、试验段5、扩压器6、真空舱7、真空泵组8。各个部件间的连接角度根据实际需要进行调整，并无具体限制。其中，所述等离子体束源1提供等离子体束流。优选地，所述等离子体束源1为层流等离子体束源，提供层流等离子体束流。层流等离子体束源是一种工质广谱、等离子体束流密度和截面面积大以及速度均匀的高效等离子体束源，起到初始电离和产生层流等离子体束流的作用。所述层流等离子体束源的工作原理是：在等离子体放电室内，阴极与阳极之间通过直流电源建立起直流电场；从发生器尾部通入的工作气体(如氮气、氧气、氩气或其他种类的混合气体)在阴极尖端放电，产生电子和离子；离子在电场的加速作用下向阴极运动，轰击阴极产生阴极材料的二次电子逸出；逸出的二次电子在电场的加速下获得动能，电子的动能达到电离气体的阈值，以维持稳定的等离子体放电；放电等离子体通过碰撞加热放电室内的气体，气体膨胀速度增加，在电场中形成高速定向的等离子体束流。优选地，本实施方式中选用50kW的层流等离子体发生器作为层流等离子体束源，产生的等离子体束流定向速度为1.5～2.5km/s，温度为3eV。作为本实施方式的一个优选实施例，所述高超声速风洞在等离子体束源1后、中性化室3前还包括粒子回旋共振加速器2。等离子体束源1提供的定向等离子体束流进入粒子回旋共振加速器2中。所述粒子回旋共振加速器2将功率耦合给等离子体，能够在粒子回旋共振加速器2的喷口处提供更高的粒子喷射速度。所述粒子回旋共振加速器2采用超导强磁发生器作为约束磁场，通过耦合天线对来自等离子体束源的定向等离子体束流进行加速。优选地，本实施方式中，所述粒子回旋共振加速器2具备有效的粒子加速能力，采用无极耦合方式，满足大功率射频功率注入，有效提高粒子能量，同时采用水冷天线结构，满足长时间运行的需求。具体地，如图2所示，所述粒子回旋共振加速器2包括射频线圈21和平行磁场22。高速等离子体流入粒子回旋共振加速器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源（1）、中性化室（3）、中性气体流道（4）、试验段（5）、扩压器（6）、真空舱（7）、真空泵组（8）；其中，/n所述等离子体束源（1）用于提供等离子体束流；/n所述中性化室（3）内具有定向中性气体束流及定向磁场，用于使等离子体束流定向移动并与中性气体束流进行能量交换，获得试验用定向中性气体束流；/n所述中性气体流道（4）连通所述中性化室（3）和试验段（5），用于为所述试验用定向中性气体束流提供运输通道；/n所述试验段（5）为风洞洞体部分，用于为高超声速气动试验提供气动实验场所；/n所述扩压器（6）连通所述试验段（5）和真空舱（7），用于使试验后的中性气体束流减速增压；/n所述真空舱（7）用于回收工质；/n所述真空泵组（8）用于对真空舱（7）抽真空，为所述高超声速风洞提供低压环境。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述高超声速风洞，包括依次连接的等离子体束源（1）、中性化室（3）、中性气体流道（4）、试验段（5）、扩压器（6）、真空舱（7）、真空泵组（8）；其中，
所述等离子体束源（1）用于提供等离子体束流；
所述中性化室（3）内具有定向中性气体束流及定向磁场，用于使等离子体束流定向移动并与中性气体束流进行能量交换，获得试验用定向中性气体束流；
所述中性气体流道（4）连通所述中性化室（3）和试验段（5），用于为所述试验用定向中性气体束流提供运输通道；
所述试验段（5）为风洞洞体部分，用于为高超声速气动试验提供气动实验场所；
所述扩压器（6）连通所述试验段（5）和真空舱（7），用于使试验后的中性气体束流减速增压；
所述真空舱（7）用于回收工质；
所述真空泵组（8）用于对真空舱（7）抽真空，为所述高超声速风洞提供低压环境。


2.根据权利要求1所述的基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述高超声速风洞在等离子体束源（1）后、中性化室（3）前还包括粒子回旋共振加速器（2）。


3.根据权利要求2所述的基于等离子体的高超声速风洞，其特征在于，所述粒子回旋共振加速器（2）包括射频线圈（21）和平行磁场（22）；等离子体束流进入粒子回旋共振加速器，利用射频线圈（21）供电产生粒子回旋共振加速，加速后的等离子体中电子和离子在平行磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：白冰，丁亮，韩潇，张磊，赵华，李涛，彭毓川，詹海洋，张燚，吴达，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11