一种平装探针高温动态等离子体诊断精度的评估方法与流程

1.本技术涉及平装探针评估的技术领域，特别是一种用于评估在高温等离子体测试使用的平装探针诊断精度的试验和分析方法，主要包括试验条件确定、模型设计和结果分析。


背景技术：

2.高速飞行器与大气作用产生的等离子体鞘套是造成通信中断的根本原因。全面、客观、准确地认知等离子体鞘套特性，是研究等离子体鞘套下测控通信问题、准确预示黑障中断区间、探索克服黑障新方法的前提。
3.静电探针(朗缪尔探针)是最早被用来测定等离子体特性的一种诊断工具，具有结构简单，容易搭建，分辨率高的特点，但是在高超声速流场环境下会影响气动，不能抵抗烧蚀，因此限制了其在飞行试验中的应用。平装探针是一种新的可用于高超声速飞行试验的等离子体测试手段，采用电极嵌入式结构，有效的解决了探针易被烧蚀和对流场干扰的难题其，可以长时间存活复杂等离子环境，但其应用于高温流动环境下的理论模型尚未建立；根据探针测量理论，探针测量不确定性来源主要包括碰撞、动态流场，碰撞和流场会导致探针德拜球内收集电子数受到影响，因此在数据处理时需要对碰撞导致的鞘层扩张效应、流动效应进行修正，而目前尚无法通过理论计算对上述效应的影响进行准确评估。因此将平装探针应用于高超声速飞行试验的等离子体流场诊断前，需要在地面高焓风洞流场中通过试验和理论计算结合的方法，对平装探针的诊断精度进行评估分析，为后续的飞行试验测试结果分析提供支撑。


技术实现要素：

4.本技术提出了提出一种用于分析平装探针高温流场动态等离子体测量精度的试验模型和评估方法，通过理论计算和高焓风洞试验测试结果对平装探针直接用于高温动态流场等离子体浓度测试的精度进行定量评估，实现了静电探针与平装探针之间的检测数据的对比评估。
5.本技术采用如下的技术方案：
6.步骤1、采用求解热化学非平衡ns方程的cfd方法对飞行弹道剖面的典型飞行工况(高度，马赫数，攻角)下的等离子体流场环境参数(速度，压力，电子温度，电子数密度)进行计算，确定平装探针的电子数密度范围[n
e1
，n
e2
]。
[0007]
步骤2、根据步骤1获得等离子流场参数te(电子温度)、ne(电子数密度)，求解等离子体德拜长度λd：
[0008][0009]
其中，te为电子温度，ne为电子数密度。
[0010]
步骤3、根据步骤2中得到的等离子体德拜长度λd，步骤1中得到的等离子体流场参数(压力和速度)，确定平装探针安装位置处，距离壁面高度为λd处的流场的压力范围[p1，
p2]和速度范围[u1，u2]；
[0011]
步骤4、为保证平装探针能够与模型表面平齐安装，避免突出表面在试验中发生烧蚀，同时结合20mw电弧风洞流场核心区大小，设计如下150mm
×
150mm平板试验模型进行风洞试验；要求平板材料的催化特性与飞行器表面材料催化特性接近；将平装探针和静电探针对称布置在平板上，要求：1)静电探针支座头部与平板探针的两个电极位于同一截面；2)间距60》d1＞3r，75》d2＞2r，r为平板探针装置的半径；3)静电探针支座头部尺寸l1与静电探针长度l2满足静电探针距离壁面的距离l3＞10λd；探针间距d》2λd。通过对d1的限制，保证了静电探针和平装探针之间不会有干扰；通过对d2的限制，使得两个探针尽可能靠近喷管出口，减弱了流场衰减带来的影响。l1和l2之间关系的限制是为了保证静电探针满足细长体假设的使用要求；l3的限制是为了避免静电探针与平板模型发生干扰，影响测试结果。
[0012]
步骤5、风洞流场调试；一般在电弧风洞或高频感应加热等离子体风洞中，采用自由射流试验方法开展试验，选取电子数密度ne、表面压力p、流速u三个量为模拟参数，其模拟范围根据步骤1和步骤3确定；考虑到现有风洞试验能力的限制，无法同时满足上述三个参数同时模拟，因此试验采用部分参数模拟的方法逐一对步骤1中的电子数密度ne、表面压力p、流速u的范围进行覆盖，确定满足模拟要求的风洞运行参数(电压，电流，气流量)和模型放置姿态角。
[0013]
步骤6、风洞试验；根据步骤5确定的风洞运行参数和模型放置姿态角，待流场稳定后，采用快速送进机构将试验模型顺时(不大于2s)放置于风洞喷管下游的流场核心区内，要求保证试验模型上方静电探针和平装探针位置的流场一致(表面压力、热流相同)，试验过程中记录静电探针和平装探针的测试数据(等离子体密度)。
[0014]
步骤7、根据步骤5确定的风洞运行参数，采用求解热化学非平衡ns的cfd方法对步骤6的试验进行等离子体流场计算；从计算结果中提出平装探针位置、壁面法向的等离子体流场参数曲线，包括电子数密度、压力。
[0015]
步骤8、步骤7中计算得到的模型表面压力与步骤5中压力测试结果偏差小于20％，则认为步骤7的计算结果满足要求，可以进行步骤9；如果偏差大于20％，则认为步骤7的计算结果不满足要求，需要对热化学反应模型、计算网格、数值离散方法进行调整，重新计算。
[0016]
步骤9、根据步骤6中静电探针测试结果，对步骤7中的电子密度曲线进行修正；从曲线中提取距离壁面λd的电子数密度ne
标准
。
[0017]
步骤10、采用步骤9中得到的电子数密度ne
标准
与步骤6中的平装探针测试结果进行对比，评估确定二者的偏差。
[0018]
综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：
[0019]
(1)通过设置实验模型和评估方法，能够将静电探针在表面位置测量的测量结果与平装探针在表面上方空间位置的测量结果之间的偏差找出来，能够实现静电探针与平装探针之间的检测数据的对比评估；
[0020]
(2)通过本技术的方法，形成了电子数密度与偏差的查找表，可以根据平装探针实际诊断得到的电子数密度，快速查找平装探针在该状态下的等离子体诊断的偏差。
附图说明
[0021]
图1为本技术实施例中实验模型的结构示意图；
[0022]
图2为本技术实施例中实验模型的实物结构示意图；
[0023]
图3为本技术实施例中风洞实验示意图；
[0024]
图4为本技术实施例中根据静电探针结果进行计算结果修正的示意图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述：
[0026]
本技术实施例公开一种平装探针高温动态等离子体诊断精度的评估方法，参照图1-4，包括以下步骤：
[0027]
s1:确定实验模型，为保证平装探针能够与模型表面平齐安装，避免突出表面在试验中发生烧蚀，同时结合20mw电弧风洞流场核心区大小，设计如下试验模型进行风洞试验：
[0028]
实验模型包括平板，平板材料的催化特性与飞行器表面材料催化特性接近，平装探针和静电探针连接于平板同一侧，平装探针的测量端与平板表面齐平、静电探针的探针轴线平行于平板表面，静电探针的轴线与平装探针的轴线之间的距离为d1，0.4l》d1》3r，r为平板探针装置的半径，l为平板的边长，平板为正方形，本实施例中平板尺寸为为150mm
×
150mm；沿着风洞来流方向，平装探针轴线距离平板朝向来流方向的一侧的距离为d2,0.5l》d2》2r；静电探针支座头部尺寸l1与静电探针的探针长度l2满足l1《1/4l2《r；静电探针包括3个探针，3个探针的轴线均平行于平板的壁面，3个探针的轴线在同一平面且该平面垂直于平板的壁面，距平板表面最近的探针与壁面之间的距离l3》10λd；探针间距d》2λd；
[0029]
通过对d1的限制，保证了静电探针和平装探针之间不会有干扰，并能够处在流场一致的条件下；通过对d2的限制，使得两个探针尽可能靠近喷管出口，减弱了流场衰减带来的影响；l1和l2之间关系的限制保证了静电探针满足细长体假设的使用要求；l3的限制避免了静电探针与平板模型发生干扰而影响测试结果。
[0030]
s2:采用求解热化学非平衡ns方程的cfd方法计算飞行弹道剖面的典型飞行工况(一定的高度、马赫数、攻角)下的等离子体流场环境参数，获得流场的速度范围计算值、压力范围计算值、电子温度范围计算值、电子数密度范围计算值。
[0031]
s3:根据电子温度的范围和电子数密度的范围，求解得到等离子体德拜长度λd范围计算值，
[0032][0033]
其中，te为电子温度，ne为电子数密度，k为玻尔兹曼常数，e为电荷，ε0为1/4π。
[0034]
s4:根据等离子体德拜长度、速度和压力的范围，确定在平装探针安装位置的法向方向上、距离壁面高度为λd处流场的压力范围和速度范围。
[0035]
s5:风洞流场调试：一般在电弧风洞或高频感应加热等离子体风洞中，采用自由射流试验方法开展试验，选取电子数密度ne、表面压力p、流速u三个量为模拟参数，其中，电子数密度的目标调节范围包含s21获得的电子数密度范围计算值，表面压力、流速的目标调节范围包含步骤s23得到的距离壁面高度为λd处流场的压力范围和速度范围；
[0036]
考虑到现有风洞试验能力的限制，无法同时满足上述三个参数同时模拟，因此试
验采用部分参数模拟的方法逐一对电子数密度ne、表面压力p、流速u的目标调节范围进行覆盖，具体的，调试风洞运行参数和模型放置姿态角，使风洞流场的电子数密度、实验模型表面的表面压力、流速在目标调节范围内，记录确定的风洞运行参数和模型放置姿态角，风洞运行参数包括电压、电流、气流量。
[0037]
s6:风洞试验：根据s5确定的风洞运行参数和模型放置姿态角，待流场稳定后，采用快速送进机构将试验模型顺时放置于风洞喷管下游的流场核心区内，要求保证试验模型上方静电探针和平装探针位置的流场一致(表面压力相同)，实验模型在风洞流场内的时间不大于2s，记录平装探针测得的电子数密度ne
平测
、静电探针测得的电子密度数ne
静测
。
[0038]
s7:根据s5确定的风洞运行参数，采用求解热化学非平衡ns的cfd方法对风洞试验进行等离子体流场计算获得来流总温t0、平装探针位置、壁面法向的等离子体流场参数曲线，流场参数曲线包括y-电子数密度、y-压力、等离子体德拜长度λ
d1
，y为距离壁面的高度，
[0039]
s8:y相同条件下，从步骤s7的y-压力参数曲线得到的压力与s5中风洞流场的表面压力之间偏差小于20％，进行s9；偏差大于20％，则调整求解热化学非平衡ns方程的cfd方法，具体的，调整求解热化学非平衡ns方程的cfd方法中的热化学反应模型、计算网格、数值离散方法，重复s2-s7。
[0040]
s9:重复步骤s5-s8，测得多组不同风洞流场条件下的电子数密度。
[0041]
s10:根据s9中静电探针测得的电子数密度，修正s7中的y-电子数密度参数曲线，得到修正后电子数密度曲线，从修正后电子数密度曲线提取距离壁面为等离子体德拜长度λ
d1
的电子数密度ne
标准
。
[0042]
s11:根据电子数密度ne
标准
与s6中平装探针测得的电子数密度ne
平测
，评估偏差，偏差＝|ne
标准-ne
平测
|/ne
标准
×
100％，并根据电子数密度和对应的偏差，形成偏差查找表。
[0043]
本实施例中，根据飞行器的飞行剖面确定了电子数密度、压力、速度的模拟范围，并在20mw电弧风洞中开展了试验(见图2)，结合试验结果和流场计算结果，分析了平装探针的诊断精度。静电探针高度距离平板壁面10mm，测试结果4.5
×
10
12
cm-3
；平装探针测试结果为5.5
×
10
11
cm-3
。
[0044]
根据风洞运行状态，对试验流场进行了计算，得到了壁面法向的电子数密度曲线，并根据静电探针的结果对曲线进行了修正。由于平装探针测试结果为距离壁面λd(约1mm)位置的结果，因此可以修正后的曲线上提取距离壁面1mm的结果，约为2.1
×
10
12
cm-3
；
[0045]
因此，平装探针的测试偏差确定为1.55
×
10
12
cm-3
，约74％。
[0046]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。