姜家文，田希暉，陳慶亞，聶萬(wàn)勝

(1.裝備學(xué)院 研究生院，北京 101416； 2.裝備學(xué)院 航天裝備系，北京 101416)

?

臨近空間螺旋槳等離子體激勵(lì)器試驗(yàn)研究

姜家文1，田希暉2，陳慶亞1，聶萬(wàn)勝2

(1.裝備學(xué)院 研究生院，北京 101416； 2.裝備學(xué)院 航天裝備系，北京 101416)

基于螺旋槳的雷諾數(shù)相似和等離子體射流相似，用地面縮比螺旋槳樣機(jī)模擬臨近空間螺旋槳的工作狀態(tài)。試驗(yàn)選取了兩種形狀的暴露電極(常規(guī)矩形激勵(lì)器和新型細(xì)絲激勵(lì)器)，分別對(duì)螺旋槳的轉(zhuǎn)矩、靜推力和功率進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)計(jì)算獲得了功率效率和增效效率。研究表明，SDBD開(kāi)啟對(duì)螺旋槳產(chǎn)生了明顯的增升減阻作用，且細(xì)絲激勵(lì)器效果要比矩形激勵(lì)器效果更好。

螺旋槳；SDBD；電極形狀；臨近空間

0 引言

臨近空間飛艇在通信保障，情報(bào)收集，電子壓制，實(shí)時(shí)預(yù)警，空間打擊等方面具有巨大潛力[1]。作為主要?jiǎng)恿υO(shè)備的螺旋槳卻因?yàn)榕R近空間的氣體密度較低而效率較低，難以實(shí)現(xiàn)臨近空間飛艇需要的“上得去、下得來(lái)、控得住”的總目標(biāo)。傳統(tǒng)的變槳徑、變槳距機(jī)械結(jié)構(gòu)，雖然能較好地滿足寬工況的條件，但是卻額外增加了活動(dòng)部件，減少了有效載荷量，也降低了螺旋槳的工作可靠性[2]。表面介質(zhì)阻擋放電(SDBD)作為一種新型的流動(dòng)控制技術(shù)，具有輕質(zhì)、寬工況、反應(yīng)迅速、無(wú)活動(dòng)部件、全電控以及對(duì)動(dòng)態(tài)空氣動(dòng)力部件控制極其理想等特點(diǎn)[3]。國(guó)內(nèi)外有許多關(guān)于SDBD用于抑制翼型流動(dòng)分離的相關(guān)文獻(xiàn)[4]，但是卻鮮有將SDBD應(yīng)用于臨近空間螺旋槳上開(kāi)展試驗(yàn)和理論方面的研究報(bào)道。在近十幾年的研究中，傳統(tǒng)的矩形激勵(lì)器，即暴露電極為矩形，產(chǎn)生的增效達(dá)到試驗(yàn)室能獲取的極限值，但是距工程實(shí)際應(yīng)用仍有一定差距[6]。近年來(lái)有文獻(xiàn)指出改變暴露電極的形狀可以得到更好的優(yōu)化結(jié)果[7]。本文基于螺旋槳的雷諾相似和等離子體相似，用地面縮比螺旋槳樣機(jī)模擬臨近空間螺旋槳的工作狀態(tài)。試驗(yàn)選取了兩種形狀的暴露電極(常規(guī)矩形激勵(lì)器和新型細(xì)絲激勵(lì)器)進(jìn)行研究，討論SDBD對(duì)螺旋槳的增效能力以及不同激勵(lì)器產(chǎn)生增效的區(qū)別。

1 試驗(yàn)原理和試驗(yàn)設(shè)備

現(xiàn)階段沒(méi)有可以直接在地面進(jìn)行臨近空間測(cè)試的試驗(yàn)條件，因此采用的螺旋槳為臨近空間實(shí)際的縮比型，其依據(jù)為雷諾相似和等離子體相似。相似原則如下：

螺旋槳雷諾相似：

式中，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑，ρ為空氣密度，μ為空氣粘性系數(shù)，下標(biāo)0表示臨近空間原型，1表示地面模型。

等離子體射流雷諾數(shù)相似：

υ采用等離子體誘導(dǎo)射流最大速度，L采用射流半高寬，即速度等于最大速度1/2點(diǎn)距離壁面的高度，采用這兩個(gè)參數(shù)可以更加合理地反映等離子體誘導(dǎo)射流的動(dòng)力學(xué)特性。

試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖如圖1(a)所示。將激勵(lì)器安裝到縮比螺旋槳槳葉上，利用三參數(shù)傳感器(轉(zhuǎn)矩、扭矩、轉(zhuǎn)速)和軸向力傳感器測(cè)量一定轉(zhuǎn)速下開(kāi)啟等離子體激勵(lì)器前后螺旋槳的轉(zhuǎn)矩M、靜推力T和功率W。計(jì)算螺旋槳的功率效率η=T/W，即單位功率產(chǎn)生的靜推力。評(píng)估等離子體增效效率：(η2-η1)/η1。其中電動(dòng)機(jī)用變頻器控制，螺旋槳在恒定轉(zhuǎn)速下工作。激勵(lì)電源用HFHV30-1高頻高壓交流電源，輸出電壓±15kV，可以工作在連續(xù)模式，工作頻率范圍為1kHz～50kHz，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為0.1kHz，以及脈沖式，其中爆發(fā)頻率為10Hz～3000Hz，步長(zhǎng)為10Hz，占空比為10%～90%。電壓采用安捷倫N2771B高壓探頭測(cè)量，電流采用皮爾森電流線圈6595測(cè)量，電壓、電流測(cè)量結(jié)果使用安捷倫DSO3024A示波器進(jìn)行顯示和記錄。

如圖1(b)所示，螺旋槳直徑2 m，試驗(yàn)在恒定轉(zhuǎn)速300 rpm下進(jìn)行。試驗(yàn)使用的等離子體激勵(lì)器共兩種，區(qū)別在于暴露電極的形狀，分別為寬度2 mm、厚度0.18mm銅箔制成的常規(guī)激勵(lì)器和直徑為0.18mm的銅絲。植入電極均為銅箔，寬度為10 mm。極間距均為0mm，電極間重合區(qū)域長(zhǎng)度為40cm，端部與槳葉葉尖距5cm。電極均貼于螺旋槳槳葉的上表面。為了增加SDBD的作用效果，每片槳葉上面共三組激勵(lì)器。第一組激勵(lì)器距槳葉前沿5mm，之后每組激勵(lì)器間的距離為2cm。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，電源工作在脈沖模式下SDBD得到的增效比連續(xù)模式下更高。因此本次試驗(yàn)電源的激勵(lì)參數(shù)僅選取脈沖式激勵(lì)。電源參數(shù)為占空比10%，激勵(lì)頻率分別為10Hz、20Hz、30Hz，峰值為6kV，電壓頻率為10kHz。

圖1 螺旋槳試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果

得到的試驗(yàn)結(jié)果展示如圖2。試驗(yàn)中還得到轉(zhuǎn)矩，但是增效主要是指推力增加，功率減小，因此將轉(zhuǎn)矩略去不予展示和分析。從圖2中可以看到無(wú)論是常規(guī)激勵(lì)器還是細(xì)絲激勵(lì)器都產(chǎn)生不同程度的增效。對(duì)于常規(guī)激勵(lì)器，功率在三種激勵(lì)頻率下都有所減小，減阻效果得到證實(shí)。推力在10Hz和30Hz的情況下有所提升，但在50Hz情況下有所下降。隨著脈沖頻率的增加，等離子體產(chǎn)生量處于增加狀態(tài)，這說(shuō)明在常規(guī)激勵(lì)器條件下，存在一個(gè)最優(yōu)激勵(lì)頻率，使得等離子體增效效果最好。該頻率的范圍可以通過(guò)進(jìn)一步細(xì)化試驗(yàn)參數(shù)得到。細(xì)絲激勵(lì)器則在10Hz到30Hz整個(gè)頻率范圍內(nèi)推力均有所提升，功率都有所減小。這初步說(shuō)明新型細(xì)絲激勵(lì)器與常規(guī)激勵(lì)器相比效果更好。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 兩種激勵(lì)器比較

從推力來(lái)看，細(xì)絲激勵(lì)器與常規(guī)激勵(lì)器相比小了很多，但這并不能充分表示常規(guī)激勵(lì)器比細(xì)絲激勵(lì)器增升減阻效果好。因?yàn)樵跓o(wú)控的狀態(tài)下帶有常規(guī)激勵(lì)器的螺旋槳比帶有細(xì)絲激勵(lì)器的螺旋槳推力大得多。這是試驗(yàn)誤差造成的結(jié)果，因?yàn)楹统Ｒ?guī)激勵(lì)器相比，細(xì)絲不容易附在螺旋槳上。因此在對(duì)細(xì)絲激勵(lì)器加工時(shí)，用上了強(qiáng)力雙面膠，使得螺旋槳與空氣間的黏性大大增加，從而造成功率增加，推力減小。所以，要比較常規(guī)激勵(lì)器和細(xì)絲激勵(lì)器的增效效果，應(yīng)該縱向比較以排除試驗(yàn)誤差，即如圖3所示，比較兩者的增效效率。按照增效效率的定義，不加電時(shí)沒(méi)有增效。從圖中看出，兩者在無(wú)控時(shí)，增效效率均為0。在其它幾個(gè)電源參數(shù)下，細(xì)絲激勵(lì)器等離子體增效效果均比常規(guī)矩形的好，兩種激勵(lì)器在脈沖頻率為10Hz下效率相差大于1個(gè)百分點(diǎn)。單獨(dú)看各自的增效效率，細(xì)絲激勵(lì)器隨著脈沖頻率增加，增效效率有所降低，說(shuō)明在低脈沖頻率下其效果最好。而常規(guī)激勵(lì)器增效效果隨脈沖頻率增加，變化較小。

圖3 增效效率

4 結(jié) 論

從試驗(yàn)的結(jié)果上看出，SDBD對(duì)螺旋槳產(chǎn)生了明顯的增效，新型細(xì)絲激勵(lì)器效果比常規(guī)矩形激勵(lì)器效果要好。兩種激勵(lì)器在脈沖頻率為10Hz下增效效率相差大于1個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明暴露電極形狀的改變能對(duì)SDBD增效效果產(chǎn)生明顯影響。

[1] 李怡勇，李小將，楊凡德. 臨近空間裝備發(fā)展若干問(wèn)題研究[J]. 裝備學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，24(6): 62-65.

[2] 楊 媛，徐志偉．基于SMA的飛行器變體機(jī)翼驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2010，33(1)：25-29.

[3] Wang J J, Choi K S, Feng L H, et al. Recent developments in DBD plasma ?ow control [J].Progress in Aerospace Sciences, 62(2013):52-78.

[4] 王萬(wàn)波, 章榮平, 黃宗波, 等. 等離子體激勵(lì)用于兩段翼型增升的試驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2013,31(1):64-68.

[5] Rethmel C, Little J, Takashima K, et al. Flow Separation Control over an Airfoil with Nanosecond Pulse Driven DBD Plasma Actuators[C]. AIAA, 2011:487.

[6] Enloe C L, McLaughlin T E, VanDyken R D, et al. Plasma structure in the aerodynamic plasma actuator[C]. AIAA, 2004:844.

[7] Debien A, Benard N, Moreau E. Streamer inhibition for improving force and electric wind produced by DBD actuators [J]. J.Phys.D:Appl.Phys. Vol 45 (2012)215201.

[8] Corke T, He C, Patel M. 2004 Plasma flaps and slats: an application of weakly-ionized plasma actuators[C]. AIAA,2004:212

Study on Plasma Actuators of Propeller Near Space through Experiments

JIANG Jiawen1, TIAN Xihui2, CHEN Qinya1, NIE Wansheng2

(1.Department of Postgraduate, the Academy of equipment, Beijing 101416, China;2.Department of Space Equipment, the Academy of equipment, Beijing 101416, China)

Based on analogy of Reynolds and plasma induced jet，it was used that utilizing reduced propeller to simulate propeller working near space. There were two kinds of actuators chose in the experiments (regular rectangular actuator and original filamentous actuator). Torque, static thrust and power were measured through experiments, and power efficiency, increment efficiency are calculated. Study showed that opening SDBD (surface dielectric barrier discharge) generated effect that lift increases and drag decreases obviously. Moreover, filamentous actuator acted better than rectangular actuator.

propeller; SDBD; shape of electrode; near space

2015-07-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(11205244)； 高分專項(xiàng)青年創(chuàng)新基金(GFZX04060103-5)。

姜家文(1991-)，男，四川遂寧人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈入x子體流動(dòng)控制。

1673-1220(2015)03-011-03

V211.44

A