一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置的制作方法

本发明属于空气动力学、等离子体物理和流动控制技术领域，具体涉及一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置。

背景技术：

随着科技发展化石能源消耗加剧，碳排放迅速增长，造成环境不断恶化。因此，节能减排已经成为社会各界广泛关注的热点问题。据相关研究表明：在飞机上安装提高翼型升力的装置可以增大飞机的最大升力系数、缩短飞机的起飞和着陆滑跑距离。飞机起飞距离和着陆滑跑距离的缩短会降低燃料的消耗。调查发现：在飞机的运营成本之中，燃油费用大约占总运营成本的30％。因此，提高飞机最大升力系数、缩短飞机的起飞和着陆滑跑距离可以节省飞机的能源消耗，降低运营成本。

研究表明：飞行器在中小迎角下，气流不可避免的在翼型前缘发生分离并产生复杂的前缘涡系结构，影响飞机的最大升力系数。目前常用的增加升力机理是通过延缓翼型或机翼的流动分离，改变前缘涡结构及涡破裂，使流动从非定常流态转变为定常流态,从而提高翼型的升力。基于此控制机理，目前已发展出了许多增升方法，根据增升控制方式是否需要外部能量输入，增升技术主要分为主动控制技术和被动控制技术。其中被动控制技术(如微鼓包、微凹坑、涡流发生器等)已经得到了充分的研究和广泛的应用，但是在提高飞行器性能方面潜力有限，只能对某个特定状态下实现有效控制，无法应用于复杂流场控制。主动流动控制技术是对流场施加外部能量，与机翼表面的流场相互耦合，起到流动控制作用。相比于被动控制技术，主动控制技术的优势在于可以通过闭环控制，对不同状态流场进行自适应调节，进而达到宽范围流动控制目的。

吸气式增升流动控制技术是众多主动控制方式的一种，因其效率高、响应快、附加阻力小等优点，得到了广泛的研究。现有吸气式控制方法主要有气动阀、干粉吸入器等，虽然大多数控制方法效率较高，但是无法避免控制系统庞大、机械结构复杂等问题，限制了它的进一步工程应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，通过延缓翼型或机翼的流动分离，改变前缘涡结构及涡破裂，能够达到飞行器增升目的。

本发明所采用的技术方案是，一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，包括有两个相互平行设置的固定平板，两个固定平板之间设置有两个等离子体放电单元安装台，等离子体放电单元安装台的纵向剖面为直角梯形，位于两个固定平板之间的两个等离子体放电单元安装台呈镜像对称布置，两个固定平板及两个等离子体放电单元安装台共同围成一个拉瓦管状腔体，两个等离子体放电单元安装台的斜坡面及两个固定平板所围成的空间构成拉瓦管状腔体的渐缩段，两个等离子体放电单元安装台相对的壁面及两个固定平板所围成的空间构成拉瓦管状腔体的平直段，两个等离子体放电单元安装台的斜坡面处均设置有等离子体放电单元，等离子体放电单元一侧接高压电源，等离子体放电单元一侧接地；拉瓦管状腔体的渐缩段端口为气流进口，拉瓦管状腔体的平直段端口为气流出口，气流出口设置有第一逆止阀，第一逆止阀防止外界大气进入拉瓦管状腔体内；每个等离子体放电单元安装台上均设有一个第二逆止阀，第二逆止阀的一端朝向外界大气，第二逆止阀的另一端朝向拉瓦管状腔体，第二逆止阀防止外界大气进入拉瓦管状腔体内。

本发明的特征还在于，

等离子体放电单元包括有板状介质层，板状介质层的一侧设置有叉型alsi3o4网状暴露电极，板状介质层的另一侧设置有若干个板型alsi3o4网状覆盖电极；叉型alsi3o4网状暴露电极接高压电源，若干个板型alsi3o4网状覆盖电极并联后接地；叉型alsi3o4网状暴露电极朝向气流一侧，若干个板型alsi3o4网状覆盖电极铺设在等离子体放电单元安装台的斜坡面处。

高压电源电压为5kv-30kv、波形为快升慢降型、周期为0.1ns-1ms。

板型alsi3o4网状覆盖电极的厚度为0.01mm-1mm，宽度为5-20mm；叉型alsi3o4网状暴露电极的厚度为0.01mm-1mm，每个分叉部分的宽度为2-5mm。

板状介质层为f4bm材料介质层。

固定平板的材质为有机玻璃；等离子体放电单元安装台的材质为聚四氟乙烯。

第一逆止阀为板形逆止阀；第二逆止阀为锥形逆止阀。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出了一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置构型，在拉瓦管状腔体内部通过诱导气流，使拉瓦管状腔体内部的空气形成负压，在抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体吸入泵腔，延缓翼型或机翼的流动分离，改变前缘涡结构及涡破裂，达到飞行器增升目的。

(2)本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，离子体吸气式增升装置，用等离子体激励器代替传统的机械装置，进行诱导气流，同时采用快升慢降型波形脉冲高压电源，具有结构简单、响应时间短、能耗低等优势。

(3)本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，应用拉瓦管状腔体，根据连续性假设以及伯努利方程，当开启电源时，等离子体放电单元产生射流，使拉瓦管状腔体内部流体流速增大，致使外部气体以次音速被吸入。同时随着拉瓦管状腔体收缩，气体被迫加速。在同样的能耗条件下能够产生更大吸气量，增加对机翼表面流动分离的控制效果，从而使流动分离点后移，增大飞行器升力。

(4)本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，在拉瓦管状腔体上下布置逆止阀，气体出口处布置逆止阀，防止气体倒吸，进一度提升吸气效率。

(5)本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，采用电信号控制，无复杂控制系统和机械运动部件，响应速度快，可以配合闭环控制系统，根据流场状态实时调整输入功率，实现闭环控制，降低能源消耗，提升控制效果。

(6)本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，采用矩形构型，适应性较好，可根据翼型表面结构以及使用要求，灵活布置吸气装置。

(7)该装置旨在降低能源损耗、降低运营成本，是绿色低碳技术。

附图说明

图1是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置的结构示意图；

图2是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置的内部结构视图；

图3是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置中等离子体放电单元安装台及等离子体放电单元的结构示意图；

图4是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置中叉型alsi3o4网状暴露电极、板状介质层及板型alsi3o4网状覆盖电极相对位置关系的示意图；

图5是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置未开电源的纹影实验；

图6是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置开电源的纹影实验；

图7是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置piv实验结果；

图8是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置脉冲高压电源使用波形图；

图9是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置安装布置示意图；

图10是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置未工作时，机翼表面流场示意图；

图11是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置未工作时，机翼表面流场实验图；

图12是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置开启工作时，机翼表面流场示意图；

图13是本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置开启工作时，机翼表面流场实验图。

图中，1.固定平板，2.等离子体放电单元安装台，3.拉瓦管状腔体，4.第一逆止阀，5.第二逆止阀，6.叉型alsi3o4网状暴露电极，7.板状介质层，8.板型alsi3o4网状覆盖电极，9.螺栓，10.螺母；

a.基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，b.气流导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置，如图1-4所示，包括有两个相互平行设置的固定平板1，之间距离为50mm；两个固定平板1之间设置有两个等离子体放电单元安装台2，两个固定平板1与之间设置的两个等离子体放电单元安装台2通过螺栓9配合螺母10固接在一起；等离子体放电单元安装台2的纵向剖面为直角梯形，位于两个固定平板1之间的两个等离子体放电单元安装台2呈镜像对称布置，两个固定平板1及两个等离子体放电单元安装台2共同围成一个拉瓦管状腔体3，腔体渐缩部分锥度为15°；两个等离子体放电单元安装台2的斜坡面及两个固定平板1所围成的空间构成拉瓦管状腔体3的渐缩段，两个等离子体放电单元安装台2相对的壁面及两个固定平板1所围成的空间构成拉瓦管状腔体3的平直段，两个等离子体放电单元安装台2的斜坡面处均设置有等离子体放电单元，等离子体放电单元一侧接高压电源，等离子体放电单元一侧接地；拉瓦管状腔体3的渐缩段端口为气流进口，拉瓦管状腔体3的平直段端口为气流出口，气流出口设置有第一逆止阀4，第一逆止阀4防止外界大气进入拉瓦管状腔体3内，第一逆止阀4侧向投影面积与气流出口面积相同；每个等离子体放电单元安装台2上均设有一个第二逆止阀5，第二逆止阀5的一端朝向外界大气，第二逆止阀5的另一端朝向拉瓦管状腔体3，第二逆止阀5防止外界大气进入拉瓦管状腔体3内。

等离子体放电单元包括有板状介质层7，板状介质层7的一侧设置有叉型alsi3o4网状暴露电极6，板状介质层7的另一侧设置有若干个板型alsi3o4网状覆盖电极8；叉型alsi3o4网状暴露电极6接高压电源，若干个板型alsi3o4网状覆盖电极8并联后接地；叉型alsi3o4网状暴露电极6朝向气流一侧，若干个板型alsi3o4网状覆盖电极8铺设在等离子体放电单元安装台2的斜坡面处。

高压电源电压为5kv-30kv、波形为快升慢降型、周期为0.1ns-1ms。

板型alsi3o4网状覆盖电极8的厚度为0.01mm-1mm，宽度为5-20mm；叉型alsi3o4网状暴露电极6的厚度为0.01mm-1mm，每个分叉部分的宽度为2-5mm。

板状介质层7为f4bm材料介质层。

固定平板1的材质为有机玻璃；等离子体放电单元安装台2的材质为聚四氟乙烯。

第一逆止阀4为板形逆止阀，长50mm、宽20mm，厚度为5mm；第二逆止阀5为锥形逆止阀，锥形逆止阀锥度为15°，高度20mm。

该装置工作原理为：接通脉冲高压电源，叉型alsi3o4网状暴露电极6与板型alsi3o4网状覆盖电极8产生电势差，电离拉瓦管状腔体3中的空气，在拉瓦管状腔体3中产生沿着内腔体表面的粒子射流，最终形成一股汇合的气流。根据伯努利方程，由于拉瓦管状腔体3内部流体流速增大，致使拉瓦管状腔体3内部形成负压，拉瓦管状腔体3外部气体以次音速被吸入，随着拉瓦管状腔体3收缩，气体被迫加速使吸气特性加强，如图6所示。其中图5是未接通脉冲高压电源纹影仪记录图，用于与图6进行对比参照来看。并且根据图7可知吸气流速最大可达1.2m/s。

防逆流设计：如图1所示，当该装置进行吸气时，根据伯努利方程，外部压力大于拉瓦管状腔体3内部压力，外部气体从装置左侧渐缩口以及第二逆止阀5进入拉瓦管状腔体3内部，为了防止气流从右侧出口吸入，在右侧出口处安装第一逆止阀4阻滞外部气流进入。

研究表明，基于背景技术所描述的飞行器增升原理，增升效果的关键在于限制吸气装置的体积同时增加吸气泵的吸气特性。本装置等离子体放电单元采用快升慢降脉冲高压电源，波形如图8所示，在同等的能耗下，等离子体放电单元可以产生更强的粒子射流，提高腔体内部内流速度，使外部气体吸气特性增大，并且可以通过调节电源的功率来调节吸气强度。

如图9所示，基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置a竖直布置在机翼内部，并在基于拉瓦管状等离子体吸气式增升装置a的后方接有气流导管b。

如图10-11所示，吸气装置未工作时，根据机翼表面流场示意图及实验图得出，在大攻角状态下，气流通过机翼，由于逆向压差力使机翼边界层气越流越慢，逐渐演化为机翼表面发生流动分离，导致机翼表面出现复杂拟序涡结构，使翼型的升力下降。

如图12-13所示，当吸气装置开始工作时，安装在机翼下方的吸气装置产生吸气，将分离区上方气流吸入，使高速气流再次附机翼表面，致使逆压梯度降低，延缓翼型或机翼的流动分离，改变前缘涡结构及涡破裂，达到飞行器增升目的。