文/劉榮 李會(huì)會(huì)

等離子體技術(shù)助燃航空事業(yè)

文/劉榮 李會(huì)會(huì)

等離子體在航空動(dòng)力上，可以有效地提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，且能極大改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)增壓比升高后的工作穩(wěn)定性；而在飛機(jī)氣動(dòng)力上，等離子體可以減少飛機(jī)阻力，增加升力，提高戰(zhàn)機(jī)的失速攻角和機(jī)動(dòng)性。

何立明(右一)在俄羅斯作校際訪問

何立明，空軍工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，全國優(yōu)秀教師，中國航空學(xué)會(huì)燃燒與傳熱傳質(zhì)專業(yè)委員會(huì)委員，國家精品課程負(fù)責(zé)人，軍隊(duì)院校育才獎(jiǎng)金獎(jiǎng)獲得者；先后擔(dān)任《航空學(xué)報(bào)》等10余家刊物審稿專家，是空軍工程大學(xué)航空宇航推進(jìn)理論與工程學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人；1990年開始從事燃燒室新型室壁結(jié)構(gòu)及冷卻技術(shù)方面的研究，對席壁冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻機(jī)理、冷卻性能進(jìn)行了理論計(jì)算與分析及實(shí)驗(yàn)研究，在此研究的基礎(chǔ)上，提出了燃燒室新型迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)新構(gòu)想；1994年開始從事脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面的研究；1997年開始從事電站鍋爐高效低污燃燒研究；先后主持、參與“973”、國家自然科學(xué)基金、國家“863”計(jì)劃、軍隊(duì)科研等10余項(xiàng)科研項(xiàng)目，獲軍隊(duì)(部級)科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)6項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，編著出版教材5部。

2011年5月12日，我國首個(gè)等離子體動(dòng)力學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)室在空軍工程大學(xué)掛牌成立。說到等離子體與航空的關(guān)系，流傳最廣的就是所謂的“俄羅斯戰(zhàn)機(jī)使用等離子體隱身”這一說法，除此之外，即使是熱愛軍事的朋友，對這方面的了解也比較有限，等離子體距離我們的生活實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了。究竟什么是等離子體，除了“戰(zhàn)機(jī)隱身”，它在航空航天領(lǐng)域又有哪些應(yīng)用呢？

據(jù)空軍工程大學(xué)何立明教授介紹，等離子體是一種非固態(tài)、非液態(tài)、非氣態(tài)物質(zhì)，而是屬于電離狀態(tài)的物質(zhì)第四態(tài)，在宏觀上呈電中性，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力的支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。目前，在航空領(lǐng)域的等離子體研究主要集中在隱身和空氣動(dòng)力兩個(gè)方面。

記者了解到，曾有報(bào)道稱，等離子體在航空動(dòng)力上，可以有效地提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，且能極大改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)增壓比升高后的工作穩(wěn)定性；而在飛機(jī)氣動(dòng)力上，等離子體可以減少飛機(jī)阻力，增加升力，提高戰(zhàn)機(jī)的失速攻角和機(jī)動(dòng)性。例如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，風(fēng)扇、壓氣機(jī)是航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，增加壓氣機(jī)的增壓比是有效方法之一，隨之帶來的問題則是壓氣機(jī)出口面積急劇縮小、效率嚴(yán)重降低，而通過在壓氣機(jī)的特定位置上布置等離子體激勵(lì)裝置，則會(huì)有效改善壓氣機(jī)內(nèi)氣體的流動(dòng)效果，降低分離損失。

美國、前蘇聯(lián)等軍事強(qiáng)國上世紀(jì)60年代便開始了等離子體研究，近年來，俄羅斯在等離子體技術(shù)研究上屢獲突破性進(jìn)展，遙遙領(lǐng)先于其他國家。但在同時(shí)期，我國此方面的研究幾乎為零。隨著現(xiàn)代和未來新技術(shù)戰(zhàn)機(jī)對飛機(jī)總體性能的要求不斷提高，等離子體技術(shù)的不斷發(fā)展和它在航空領(lǐng)域中所表現(xiàn)出的不可比擬的諸多優(yōu)勢，使其成為各國技術(shù)攻關(guān)的核心焦點(diǎn)，吸引了大批科研人員的目光，何立明也在其中。

2002年以來，何立明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在國內(nèi)開始了發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口等離子體紅外隱身技術(shù)以及備受關(guān)注的等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)研究，為推動(dòng)我國航空航天事業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

何立明在俄羅斯考察

過去：起步晚 待突破

據(jù)了解，等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)包括等離子體點(diǎn)火和助燃技術(shù)兩方面。早在20世紀(jì)70年代，等離子點(diǎn)火技術(shù)就引起了各國專家的廣泛關(guān)注，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，其研究僅限于工業(yè)燃燒方面?！敖陙?，隨著燃燒動(dòng)力學(xué)和其他高科技的發(fā)展，等離子體點(diǎn)火與助燃技術(shù)逐漸受到航空航天動(dòng)力界的重視。”何立明說，“等離子體點(diǎn)火的高溫、射流和化學(xué)效應(yīng)以及等離子體助燃所產(chǎn)生的化學(xué)、溫升和氣動(dòng)效應(yīng)能顯著提高火焰的傳播速度、強(qiáng)化在燃燒室內(nèi)的燃燒過程，對提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣條件下(空中再次起動(dòng))的起動(dòng)可靠性，提高燃燒性能，增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性和減少對大氣環(huán)境的污染具有重要作用和意義?！?/p>

記者了解到，2005年，美國將等離子體動(dòng)力學(xué)列為美國空軍未來幾十年內(nèi)保持技術(shù)領(lǐng)先地位的六大基礎(chǔ)領(lǐng)域之一，同時(shí)美國空軍推進(jìn)系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室還將等離子體助燃列為未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)之一，而俄羅斯也開展了大量實(shí)驗(yàn)室原理實(shí)驗(yàn)。有報(bào)道稱，俄羅斯和美國等航空發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研制出等離子體點(diǎn)火器，并在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了高空點(diǎn)火試驗(yàn)。

何立明表示，國內(nèi)等離子體點(diǎn)火與助燃方面的研究工作始于20世紀(jì)80年代，主要集中在燃煤設(shè)備(電站鍋爐)的啟動(dòng)和助燃應(yīng)用。一些高校、科研院所和鍋爐制造廠等相繼投入大量人力和財(cái)力，研究開發(fā)燃煤鍋爐等離子點(diǎn)火和穩(wěn)燃技術(shù)，并進(jìn)行了數(shù)值模擬以及一些原理性的實(shí)驗(yàn)研究。自2007年起，空軍工程大學(xué)才在國家自然科學(xué)基金及其他相關(guān)項(xiàng)目的資助下，結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，開始探索等離子體點(diǎn)火與助燃的機(jī)理，建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

何立明說：“我國等離子體點(diǎn)火與助燃研究起步比其他國家晚，技術(shù)基礎(chǔ)也比較薄弱，特別是等離子體點(diǎn)火與助燃技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步突破?？梢灶A(yù)見的是，如果突破了這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，將會(huì)為解決制約航空裝備發(fā)展的瓶頸問題提供重要的基礎(chǔ)支持，并能從根本上提升我國航空等離子體研究的創(chuàng)新能力。”

現(xiàn)在：縮短差距

等離子體點(diǎn)火具有等離子體射流核心溫度高等技術(shù)優(yōu)勢，點(diǎn)火能量大、火舌穿透力強(qiáng)，可顯著提高點(diǎn)火可靠性，縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，特別是有可能取消加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器，進(jìn)而顯著縮短加力燃燒室的長度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。但目前我國在等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)研究方面，仍然面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。比如，如何使燃燒室的工作范圍足夠大，在高溫、低溫或者高空小表速情況下也能可靠點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒；如何在縮短激勵(lì)燃燒長度的同時(shí)，能保證可靠點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒，還能保證等離子體點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電源和助燃激勵(lì)電源的小型、輕型化和工作的可靠性等等，這些都是當(dāng)下需要著重考慮的問題。

據(jù)悉，我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》已經(jīng)將磁流體和等離子體動(dòng)力學(xué)列為“面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究”中的“航空航天重大力學(xué)問題。”“當(dāng)務(wù)之急是要加強(qiáng)對等離子體技術(shù)的研究，努力縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距，并學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)等離子體技術(shù)在我國航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。”何立明說，“航空等離子體動(dòng)力學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)室的成立，很好地證明了國家對等離子體技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用研究的重視，科研人員應(yīng)好好把握此次機(jī)會(huì)，推動(dòng)我國等離子體技術(shù)在航空領(lǐng)域的快速發(fā)展?！?/p>

作為等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)研究課題組組長，何立明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國家的資助下，開展了一系列研究：如進(jìn)行了在燃燒室中產(chǎn)生等離子體的條件、機(jī)理、方法的理論分析、參數(shù)控制及實(shí)驗(yàn)測試方法的研究，等離子體助燃效果計(jì)算、等離子體點(diǎn)火與助燃過程的數(shù)值仿真和影響因素分析，建立并完善了等離子體點(diǎn)火與助燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了原理性實(shí)驗(yàn)的等離子體點(diǎn)火器，進(jìn)行了點(diǎn)火特性實(shí)驗(yàn)，為等離子體強(qiáng)化燃燒研究奠定了初步基礎(chǔ)。

不僅如此，何立明課題組還設(shè)計(jì)了原理性實(shí)驗(yàn)的等離子體助燃激勵(lì)器，并進(jìn)行了激勵(lì)特性，激勵(lì)器幾何參數(shù)、激勵(lì)參數(shù)優(yōu)化，助燃特性實(shí)驗(yàn)和助燃效果分析，獲取了一批重要的一手資料。在理論分析的基礎(chǔ)上，課題組建立了等離子體點(diǎn)火與助燃條件下的燃燒室三維流場數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算、分析了等離子體點(diǎn)火與助燃的機(jī)理和參數(shù)變化對等離子體點(diǎn)火與助燃的影響規(guī)律。為開展基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究，研制出了用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的驗(yàn)證性等離子體點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電源、點(diǎn)火器和助燃激勵(lì)器，為進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室實(shí)驗(yàn)件的地面和高空模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

近年來，何立明課題組以等離子體動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)和飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)原理為理論基礎(chǔ)，圍繞提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置燃燒室的點(diǎn)火可靠性，擴(kuò)大穩(wěn)定燃燒范圍，開展等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)研究，極大地推動(dòng)了國家重點(diǎn)學(xué)科“航空宇航推進(jìn)理論與工程”的建設(shè)和發(fā)展。2005年，以課題組成果為重要支撐的“建設(shè)特色鮮明學(xué)科專業(yè)培養(yǎng)新型軍事航空工程人才”教學(xué)成果榮獲國家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)；2006年，《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理》網(wǎng)絡(luò)課程獲全軍優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)課程一等獎(jiǎng)；2007年，《飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)原理》課程教材獲得國防工業(yè)出版社“優(yōu)秀圖書”二等獎(jiǎng)，2008年，此課程被評為國家精品課程。

何立明(右四)在歐洲考察

“我們所取得的這些成果和獎(jiǎng)勵(lì)都有力地說明，經(jīng)過一批科研人員的共同努力和近幾年的大力建設(shè)和發(fā)展，我國等離子體技術(shù)的研究隊(duì)伍和平臺(tái)已初步建立。而國家級實(shí)驗(yàn)室的成立，更是推進(jìn)我國在航空動(dòng)力發(fā)展領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)理論和技術(shù)創(chuàng)新的重要舉措，也為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展學(xué)術(shù)研究和交流活動(dòng)提供了共享平臺(tái)。接下來我們要做的是開展更為深入的研究，突破目前仍然存在的瓶頸，拓寬我國等離子體技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展局面?！焙瘟⒚鞅硎?。

未來：爭做后起之秀

一直以來，美國、俄羅斯等技術(shù)發(fā)達(dá)國家對航空等離子體動(dòng)力學(xué)與技術(shù)研究十分重視，在這方面的投入也是大手筆，目前他們已經(jīng)取得了一批具有重大影響和作用的成果。在國外，激光沖擊強(qiáng)化、強(qiáng)流脈沖離子注等技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上得以應(yīng)用，且產(chǎn)生了巨大的軍事、經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，這些國家的等離子體點(diǎn)火、低速等離子體流動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)完成試飛。而國內(nèi)只有激光沖擊強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，等離子體點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)地面應(yīng)用，其他技術(shù)只進(jìn)行到原理研究或?qū)嶒?yàn)室驗(yàn)證階段。

何立明說：“目前看來，我國與發(fā)達(dá)國家之間確實(shí)存在不小差距，但要想成為后起之秀也不是不可能，這需要有上至國家，下至科研院所、高校的支持和共同努力。去年等離子體動(dòng)力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在空軍工程大學(xué)掛牌成立，足以顯示我國已經(jīng)進(jìn)入航空動(dòng)力、飛行器氣動(dòng)力研究的前沿領(lǐng)域。未來，我國應(yīng)大力發(fā)展航空等離子體動(dòng)力學(xué)與技術(shù)研究，從而為航空裝備研制和維修提供重要的技術(shù)支撐?！?/p>

我們相信，隨著我國在等離子體動(dòng)力學(xué)研究上的不斷深入，中國在研制大推重比先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)積累方面，將會(huì)更為深厚，從而也會(huì)為先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、航天飛行器等裝備的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。