双侧滑动脉冲等离子体激励器的制作方法

本实用新型属于空气动力学、等离子体物理和流动控制技术领域，具体涉及一种双侧滑动脉冲等离子体激励器。

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。但当细长体飞行器大攻角机动飞行时，其绕流流场呈现出复杂的多涡流动现象，流场参数变化迅速，边界层的分离，旋涡的形成、发展和破裂以及不对称涡的产生，导致气动力和力矩出现很强的非定常、非线性特性，最终在大攻角无侧滑状态下产生强度很大、随机出现的侧向力和偏航力矩。此时飞行器的垂尾、平尾和控制舵面均处于机身的湍流尾迹中，不能提供必要的横、侧向控制力和力矩来抵抗随机出现的侧向力和偏航力矩。一旦发生侧滑运动，就会迅速出现横侧向偏离、摇滚振荡、尾旋、下冲等复杂或不可控的飞行现象。飞行器细长体前机身背风区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，迫切需要寻求有效的控制手段抑制细长体非对称涡的生成与发展，控制细长体侧向力和偏航力矩，为提升飞行器大攻角飞行时的操纵性和稳定性提供技术支撑。

等离子体流动控制是利用等离子体激励改善气动特性的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，该技术于2009年被美国航空航天学会列为十项航空前沿技术(第五项)，对于提升军用飞行器气动性能具有重要意义。国际上等离子体流动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。进一步通过优化激励器布局和激励参数等措施，实现了在更高来流范围(来流速度5～30m/s、攻角35°～50°)，对细长体侧向力和偏航力矩的近似线性比例控制。综合分析已有工作，正弦波DBD 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。由于正弦波 DBD激励诱导边界层加速的速度较低，严重制约了流动控制能力。当来流速度超过30m/s、攻角大于50°时，正弦波DBD激励对非对称分离流动的影响变得非常微弱，几乎没有控制效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种双侧滑动脉冲等离子体激励器，能够控制诱导涡的位置和强度，产生非对称诱导涡，进而控制大攻角时细长体的非对称涡结构，消除侧向力。

本实用新型所采用的技术方案是：双侧滑动脉冲等离子体激励器，包括绝缘介质层，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分别位于第二上电极的两侧，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；

第一上电极及第三上电极以第二上电极为轴线镜像分布；

第一上电极、第二上电极及第三上电极为三个相互平行的条状电极；

第一上电极、第二上电极及第三上电极的厚度为0.01mm-0.3mm。

本实用新型的特点还在于：

第一上电极、第二上电极及第三上电极的长度为5cm-200cm，第一上电极、第二上电极及第三上电极的宽度为1mm-10mm，第一上电极的宽度与第三上电极的宽度相等且不大于第二上电极的宽度。

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。

正极性脉冲高电压VNP＝5000V-20000V；直流高电压VDC1＝-15kV～ +15kV；直流高电压VDC2＝-15kV～+15kV。

第一上电极、第二上电极及第三上电极的材质均为金属铜。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的双侧滑动脉冲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、均匀的大范围滑动等离子体放电，通过改变电极上施加高电压的极性和强度，可以控制诱导涡的位置和强度，产生非对称诱导涡，进而控制大攻角时细长体的非对称涡结构，消除侧向力；

(2)双侧滑动脉冲等离子体激励器的激励强度高、作用区域大、诱导涡对强度可控、诱导合成射流可偏转；

(3)通过双侧滑动脉冲等离子体激励器对细长体的等离子体流动的控制，改善了传统的操纵舵面的控制效能，大大提升了飞机的飞行性能。

附图说明

图1是本实用新型双侧滑动脉冲等离子体激励器的结构示意图；

图2是实施例中上电极分布图；

图3是实施例中下电极分布图。

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。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供了一种双侧滑动脉冲等离子体激励器，如图1所示，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分别位于第二上电极2的两侧，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。

第一上电极1及第三上电极3以第二上电极2为轴线镜像分布。

第一上电极1、第二上电极2及第三上电极3为三个相互平行的条状电极。

第一上电极1、第二上电极2及第三上电极3的厚度为0.01mm-0.3mm。

第一上电极1、第二上电极2及第三上电极3的长度为5cm-200cm，第一上电极1、第二上电极2及第三上电极3的宽度为1mm-10mm，第一上电极1的宽度与第三上电极3的宽度相等且不大于第二上电极2的宽度。

绝缘介质层4的厚度为0.5mm-3mm，优选1mm，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D1为5mm-5cm，优选D1＝2cm；第三上电极3与第一上电极1之间的距离D2为5mm-5cm，优选D2＝2cm。

正极性脉冲高电压VNP为峰峰电压值超过阈值电压5000V的高电压，当电压峰峰值高于一定范围时，激励器的气动激励效果变化不大，并且容易击穿激励器，因此电压峰峰值范围为VNP＝5000-20000V，优选10000V；脉冲频率范围为Fp＝2-5000Hz，频率越高，气动激励作用效果越明显，当频率高于一定范围时，作用效果变化不大，因此优选Fp＝100Hz；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可为正负直流电压，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＝-15kV至+15kV，优选 VDC＝±10kV；正负直流高电压的选择方法在于：当第一上电极1施加正直流高电压时，在第二上电极2右侧诱导涡会被正向场强推离第二上电极2处的中心位置，因此右侧诱导涡会比第一上电极1不施加正直流高电压时移动的更远。与此类似，当第一上电极1施加负直流高电压时，在第二上电极2右侧诱导涡会被负向场强朝向第二上电极2处的中心位置吸引，因此右侧诱导涡会比第一上电极1不施加负直流高电压时移动的更近。借助这个原理，可以通过在第一上电极1和第三上电极3上施加不同强度和极性的直流高电压，改变第二上电极2两侧诱导涡的作用位置和强度。

第一上电极1、第二上电极2及第三上电极3的材质均为金属铜，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。

双侧滑动脉冲等离子体激励器对细长体的等离子体流动控制方法，采用上述的双侧滑动脉冲等离子体激励器，首先，将双侧滑动脉冲等离子体激励器安装于细长体背部，通过压力测量或流动显示测量手段，确认细长体背部绕流在不同流动状态下非对称分离流动的演化特点；然后，在细长体背部正上方施加等离子体激励，产生三个冲击波，诱导产生两组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；激励向细长体背部涡对注入能量、平衡涡对强度的同时，通过展向涡挤压细长体背部涡对向两侧运动，增大涡核间距，削弱涡对之间的相互干扰，延迟流动分离，减弱并抑制非对称现象的出现。

当细长体处于大攻角状态时，如果细长体背部上方出现非对称分离涡，并且左侧分离涡比右侧分离涡靠近物体表面，在细长体背部安装激励器的右侧电极上施加负直流高电压，左侧电极上施加正直流高电压，就会促使激励器左侧产生更强的诱导涡，并且比右侧诱导涡更靠近激励器中心位置。左侧诱导涡推开细长体背部左侧上方原有的分离涡，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。

实施例

如图2及3所示，双侧滑动脉冲等离子体激励器的整个电极板长150mm，宽100mm，分为上电极，绝缘介质层4和下电极层5。

上电极有三条电极组成包括第一电上极1、第二上电极2及第三上电极3；第一上电极1长110mm，宽5mm，在第一上电极1下部有半径为10mm 的圆形倒角，为了避免高电压电弧放电和功率损耗，第一上电极1末端有半径为2.5mm的圆形焊盘，便于连接导线，施加高电压；第二上电极2长 120mm，宽5mm，顶端有半径为2.5mm的圆形焊盘；第三上电极3是第一上电极1以第二上电极2为中心的镜像。

绝缘介质层4由厚1mm，介电常数为2的聚四氟乙烯覆铜板制成。

下电极层5为长130mm，宽40mm的整块铜电极组成，下电极层5底部有长20mm，宽6mm的椭圆形焊盘。

使用时，在第一上电极1及第三上电极3分别施加直流高电压，在第二上电极2施加高于门限电压值5千伏以上的毫秒、微秒、纳秒或射频脉冲调制高电压，下电极接地。当第二上电极2施加脉冲激励，且脉冲电压强度够大时，在第一上电极1和第三上电极3间将形成稳定、均匀的大范围滑动等离子体放电。第一上电极1和第三上电极3施加直流高电压，当第二上电极 2施加毫秒或微秒脉冲放电，第二上电极2两侧会形成两个诱导涡，并形成两可控方向的偏转射流；当第二上电极2施加纳秒或射频脉冲放电，在第二上电极2两侧会诱导出较强冲击波和诱导涡。

本实用新型有如下优点：

(1)本实用新型的双侧滑动脉冲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、均匀的大范围滑动等离子体放电，通过改变电极上施加高电压的极性和强度，可以控制诱导涡的位置和强度，产生非对称诱导涡，进而控制大攻角时细长体的非对称涡结构，消除侧向力；

(2)双侧滑动脉冲等离子体激励器的激励强度高、作用区域大、诱导涡对强度可控、诱导合成射流可偏转；

(3)通过双侧滑动脉冲等离子体激励器对细长体的等离子体流动的控制，改善了传统的操纵舵面的控制效能，大大提升了飞机的飞行性能。