于錦祿 王思博 黃丹青 蔣陸昀 程行遠(yuǎn) 何立明

摘要：等離子體點(diǎn)火技術(shù)是航空航天動(dòng)力領(lǐng)域研究前沿。本文概括了等離子體點(diǎn)火研究背景和基本原理，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外等離子體點(diǎn)火技術(shù)在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，指出脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中利用等離子體點(diǎn)火具有諸多優(yōu)勢(shì)，如點(diǎn)火能量大、能有效縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間、提高DDT特性等。在此基礎(chǔ)上，本文分析了應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的等離子體點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電源、等離子體點(diǎn)火器以及兩種典型等離子體點(diǎn)火方案。最后針對(duì)等離子體點(diǎn)火技術(shù)在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：等離子體點(diǎn)火;脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī);放電特性;等離子體電源;點(diǎn)火方案

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

等離子體是由帶電的正離子、負(fù)離子、自由基和各種活性基團(tuán)組成的集合體，屬于物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體中存在的帶電粒子，與電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互耦合，因此，等離子體與固體、液體或氣體有本質(zhì)的區(qū)別[1，2]。在航空領(lǐng)域中等離子體除了具有隱身、增強(qiáng)氣流流動(dòng)穩(wěn)定性的作用外，還可在燃燒室中點(diǎn)火助燃。等離子體可以通過(guò)其熱效應(yīng)、輸運(yùn)效應(yīng)以及動(dòng)力學(xué)效應(yīng)來(lái)加速燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，在不同的介質(zhì)、溫度、壓力等條件下起主要作用的促進(jìn)效應(yīng)不同[3，4]。利用等離子體進(jìn)行點(diǎn)火，已經(jīng)引起了世界各國(guó)研究人員極大的興趣。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（Pulse Detonation Engine，PDE）是一種利用脈沖式爆震波生成的高溫、高壓燃?xì)鈦?lái)產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)[5]。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、高推重比、高燃燒效率等優(yōu)點(diǎn)[6]。針對(duì)爆震波的快速可靠起爆、尺寸的縮短和頻率的提高等決定脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，近年來(lái)研究表明利用等離子體點(diǎn)火能夠有效地起爆脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)可以明顯地縮短爆燃到爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT）的距離和時(shí)間，并具有更高的起爆成功率[7，8]。將等離子體點(diǎn)火技術(shù)應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)多項(xiàng)性能指標(biāo)有較大作用。

為準(zhǔn)確把握國(guó)內(nèi)外等離子體點(diǎn)火技術(shù)在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的研究進(jìn)展，引起更多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該技術(shù)的關(guān)注，加快推進(jìn)等離子體點(diǎn)火技術(shù)在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，本文對(duì)該技術(shù)目前的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析。

1 等離子體點(diǎn)火的基本原理

等離子體點(diǎn)火是利用放電形成局部高溫區(qū)域，并激發(fā)大量的活性粒子，實(shí)現(xiàn)快速地點(diǎn)燃可燃混合氣或者是強(qiáng)化燃燒的進(jìn)程[9]，常見(jiàn)的等離子體點(diǎn)火有等離子體射流點(diǎn)火、電暈等離子體點(diǎn)火、瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火等。等離子體點(diǎn)火的機(jī)理主要表現(xiàn)為三種效應(yīng)：熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和氣動(dòng)效應(yīng)[10，11]。熱效應(yīng)是指放電擊穿放電介質(zhì)，加熱放電介質(zhì)使其溫度迅速上升?；瘜W(xué)效應(yīng)是指等離子體放電過(guò)程中，電子與空氣/燃料分子發(fā)生碰撞，大分子碳?xì)淙剂媳浑婋x成活化能很小的帶電活性粒子，空氣中的氧氣和氮?dú)夥肿颖浑婋x成氧化性更強(qiáng)的活性粒子，從而加速化學(xué)連鎖反應(yīng)。氣動(dòng)效應(yīng)是指等離子體放電的過(guò)程會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，一方面增強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流湍流脈動(dòng)度，利于等離子體流和燃燒室氣流摻混;另一方面有利于等離子體在混合氣中的定向遷移，從而擴(kuò)大了火焰焰鋒面積，顯著增大火焰?zhèn)鞑ニ俣?，增?qiáng)燃燒穩(wěn)定性。等離子體點(diǎn)火相較于傳統(tǒng)電火花點(diǎn)火，其優(yōu)點(diǎn)為：

（1）點(diǎn)火區(qū)域大。如圖1所示[12]，傳統(tǒng)的電火花點(diǎn)火通常為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的點(diǎn)火方式，而等離子體點(diǎn)火的點(diǎn)火區(qū)域可以是一個(gè)面，甚至是一個(gè)三維空間。大量的點(diǎn)火流注可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火，能夠有效地增強(qiáng)等離子體點(diǎn)火的可靠性。

（2）點(diǎn)火延遲時(shí)間短。等離子體點(diǎn)火比電火花點(diǎn)火的點(diǎn)火能量大，可以迅速提高點(diǎn)火區(qū)域周圍的可燃混合氣溫度，使可燃混合氣快速達(dá)到燃燒反應(yīng)條件，縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間。

（3）點(diǎn)火能量利用率高。傳統(tǒng)電火花點(diǎn)火只有少部分電能轉(zhuǎn)化為點(diǎn)火能量，大量的電能被用來(lái)發(fā)光和加熱電極，而等離子體點(diǎn)火所消耗的電能大都用于點(diǎn)火，從而提高了點(diǎn)火能量利用率。

（4）可燃混合氣轉(zhuǎn)化為活化粒子進(jìn)行燃燒反應(yīng)，極大地減少中間產(chǎn)物的生成，使燃燒反應(yīng)更加完全，提高了燃料利用率，并大大減少有害物質(zhì)的排放。

（5）點(diǎn)火能量可以更好地與可燃混合氣耦合。點(diǎn)火區(qū)域的大分子碳?xì)淙剂媳浑婋x成活化能小的活性粒子，使可燃混合氣的化學(xué)反應(yīng)速率更快、反應(yīng)時(shí)間更短，同時(shí)達(dá)到點(diǎn)火的效果。

2 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的等離子體點(diǎn)火技術(shù)

理論研究表明脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究人員多年的研究，已經(jīng)取得了巨大的成就。但截至目前，仍有許多技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題制約著脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用。如爆震波的快速可靠起爆、尺寸的縮短和爆震頻率的提高、高爆震頻率下閥門的快速響應(yīng)、快速填充及摻混、各系統(tǒng)之間的匹配、系統(tǒng)的可靠性等。

2.1 等離子體點(diǎn)火技術(shù)在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的研究現(xiàn)狀

等離子體點(diǎn)火要應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，需要適應(yīng)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，即點(diǎn)火也應(yīng)該是脈沖式的。常用的等離子體射流點(diǎn)火（火炬點(diǎn)火），因其響應(yīng)速度較慢不適合直接用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火。因此，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的等離子體點(diǎn)火器，一般為相應(yīng)較快的脈沖式點(diǎn)火器。

針對(duì)直管型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的DDT距離和時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，從2003年開(kāi)始，俄羅斯Starikovskii[13，14]在對(duì)等離子體點(diǎn)火和脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)深入分析的基礎(chǔ)上，提出利用等離子體點(diǎn)火技術(shù)起爆脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，以解決制約脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的各種問(wèn)題，如爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火延遲時(shí)間、爆震室的長(zhǎng)度、起爆成功率等問(wèn)題。

2004年，美國(guó)南加州大學(xué)的Wang[15]和美國(guó)海軍研究生院的Sinibaldi等也開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作，他們使用的點(diǎn)火方式為納秒脈沖放電點(diǎn)火，稱之為瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火（Transient Plasma Ignition，TPI）。研究表明，瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火可以大幅地縮短DDT的距離和時(shí)間，而且起爆成功率也有所提高。初步的試驗(yàn)表明，在初始溫度280～430K、壓力101.33～607.95kPa范圍內(nèi)，點(diǎn)火延遲時(shí)間和DDT的轉(zhuǎn)換時(shí)間都顯著降低。

美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的John Hoke和J.Corrigan[16]等在四管脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火，其中一個(gè)爆震管使用火花塞點(diǎn)火，另外三個(gè)管采用瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火，電源采用的是30kV的直流電源。

美國(guó)俄亥俄大學(xué)的Andrew Naples[17]等對(duì)比研究了分別使用汽車火花塞點(diǎn)火器和等離子體點(diǎn)火器，分別在以航空汽油、乙烯和氫氣為燃料時(shí)，起爆脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。研究結(jié)果表明，利用等離子體點(diǎn)火器點(diǎn)火，大約縮短了50%的DDT距離和30%的時(shí)間，同時(shí)C-J爆震波的速度也有所提高。

2012年，普林斯頓大學(xué)的Andrey Starikovskiy[18]綜述了等離子體點(diǎn)火在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)起爆方面的研究成果。首先分析了等離子體強(qiáng)化點(diǎn)火的基本機(jī)理，從點(diǎn)火的角度分析了等離子體放電過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化;然后就等離子體點(diǎn)火技術(shù)在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的控制應(yīng)用進(jìn)行了討論。文章最后指出，等離子體點(diǎn)火技術(shù)在高速燃燒、貧油燃燒控制和爆震發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域都會(huì)具有很好的應(yīng)用前景。

2009-2014年，南京理工大學(xué)翁春生[19，20]課題組通過(guò)數(shù)值仿真的方法，研究了等離子體射流對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)快速起爆的影響。

2013年開(kāi)始，北京大學(xué)鄭殿峰[21]課題組與北京動(dòng)力機(jī)械研究所高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張義寧等合作，創(chuàng)新性地利用交流低溫介質(zhì)阻擋放電等離子體成功進(jìn)行了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，由于之前的研究結(jié)果往往認(rèn)為介質(zhì)阻擋放電等離子體的溫度較低，可用于助燃，但不利于點(diǎn)火。他們成功地設(shè)計(jì)了一種等離子體電源，并且成功觸發(fā)了以氣態(tài)乙炔/空氣的爆震，結(jié)果表明采用交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體點(diǎn)火觸發(fā)爆震是可行的。2016北京大學(xué)鄭殿峰[22]課題組設(shè)計(jì)了雙管試驗(yàn)系統(tǒng)，并比較了非熱平衡態(tài)等離子體和火花塞在空氣/乙炔混合物中點(diǎn)火的試驗(yàn)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，與電火花塞點(diǎn)火相比，采用等離子體點(diǎn)火使DDT時(shí)間縮短了一半，大幅度提高了火焰和爆震波的形成和傳播速度，提高了爆震波的性能。

表1為多個(gè)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)比等離子體點(diǎn)火和電火花點(diǎn)火兩種不同點(diǎn)火方式，以及對(duì)比不同頻率、不同脈寬的等離子體點(diǎn)火器在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中點(diǎn)火試驗(yàn)得出的結(jié)果。從表中可以看出，與電火花點(diǎn)火相比，利用等離子體點(diǎn)火明顯縮短了點(diǎn)火延遲時(shí)間，提高了DDT特性。利用等離子體點(diǎn)火器在相同試驗(yàn)條件下點(diǎn)火時(shí)，脈寬的大小對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間影響不大，但是相比于脈寬較大的點(diǎn)火器，所需要的點(diǎn)火能量較小，部分點(diǎn)火裝置所需能量小于電火花點(diǎn)火能量。

2.2 不同放電方式的等離子體點(diǎn)火器

在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域，大多數(shù)研究者研究工作是建立在普通電火花點(diǎn)火起爆的基礎(chǔ)上，而應(yīng)用等離子體點(diǎn)火的情況不多。下面是幾種不同的等離子體點(diǎn)火方式，分別是電暈放電等離子體點(diǎn)火器、電弧放電等離子體點(diǎn)火器和介質(zhì)阻擋放電等離子體點(diǎn)火器。

（1）電暈等離子體點(diǎn)火器

電暈等離子體點(diǎn)火是利用高壓納秒脈沖電源，直接擊穿在陰陽(yáng)極之間混合氣的點(diǎn)火形式，又被稱為納秒脈沖等離子體點(diǎn)火。電暈等離子體點(diǎn)火結(jié)構(gòu)與直接擊穿混合氣的等離子體點(diǎn)火形式相類似，只是由于外部的電源形式不同，納秒脈沖電源的放電時(shí)間極短，擊穿的流注沒(méi)有來(lái)得及形成電弧，形成的是電暈放電。美國(guó)海軍研究生院與南加州大學(xué)研制的電暈放電點(diǎn)火的照片如圖2所示[27]。

為了減小點(diǎn)火器的體積，南加州大學(xué)的Daniel R.Singleton[28]等設(shè)計(jì)了小型的瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器，并在美國(guó)海軍研究生院的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中左上圖為12ns的瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器，左下圖為85ns的瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器，右圖為12ns的瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器。

為降低瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器對(duì)電源的要求，本文提出了一種基于環(huán)形放電的瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器。研制的環(huán)形陽(yáng)極等離子體點(diǎn)火器和其產(chǎn)生的電暈放電照片如圖5所示[29]。環(huán)形陽(yáng)極等離子體點(diǎn)火器由環(huán)形陽(yáng)極、陰極和絕緣套等組成。環(huán)形陽(yáng)極內(nèi)部為空心，空心的內(nèi)部通道可以流通混合氣，外部為螺紋表面。該結(jié)構(gòu)的等離子體點(diǎn)火器應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，可直接把爆震管當(dāng)作陰極使用[30]。

當(dāng)使用基于電暈放電的等離子體點(diǎn)火器時(shí)，中心陽(yáng)極連接高壓電源，可以將爆震管作為陰極接地。通電時(shí)，在中心陽(yáng)極與陰極之間產(chǎn)生大量的流注放電，形成局部高溫區(qū)域，并激發(fā)大量的活性粒子，實(shí)現(xiàn)快速的點(diǎn)燃可燃混合氣。納秒脈沖等離子體點(diǎn)火能克服傳統(tǒng)電火花放電的許多不足，其優(yōu)點(diǎn)為：點(diǎn)火區(qū)域大、時(shí)間極短，點(diǎn)火能量可以更好地與氣體混合物耦合，點(diǎn)火區(qū)域的大分子碳?xì)淙剂媳浑婋x成活化能小的活性粒子，使混合氣的化學(xué)反應(yīng)速率更快，反應(yīng)時(shí)間短，點(diǎn)火成功率高[31]。

（2）電弧放電等離子體點(diǎn)火器

本文根據(jù)等離子體氣體放電的基本理論，在充分借鑒國(guó)外最新研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目組前期的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了兩種用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的等離子體點(diǎn)火器：碟形等離子體點(diǎn)火器和圓柱等離子體點(diǎn)火器。

碟形等離子體點(diǎn)火器[32]的特點(diǎn)是陽(yáng)極為碟形，碟形陽(yáng)極邊緣為尖端，更有利于放電。外殼體為陰極并接地。碟形等離子體點(diǎn)火器具有與普通火花塞點(diǎn)火器相同的螺紋接口，同時(shí)也可以安裝在內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。

圓柱等離子體點(diǎn)火器的特點(diǎn)是陽(yáng)極為中心的圓柱，陽(yáng)極前端為螺紋表面，螺紋表面更有利于產(chǎn)生尖端放電。外殼體為陰極并接地。

設(shè)計(jì)的兩種等離子體點(diǎn)火器的放電效果照片如圖6所示。從圖中可以看出，等離子體點(diǎn)火器在放電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的放電電弧流注，與火花塞相比這種電弧屬于拉長(zhǎng)的電弧。從圖中可以看出，大量的放電流注使得點(diǎn)火能量與混合氣充分耦合，在點(diǎn)火流注與混合氣的耦合過(guò)程中，會(huì)把大分子的混合氣電離成更容易進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的小分子或者帶電離子，因此，可在較大范圍內(nèi)快速點(diǎn)著可燃混合氣。

（3）介質(zhì)阻擋放電等離子體點(diǎn)火器

北京大學(xué)鄭殿峰等[21]研制的基于介質(zhì)阻擋放電等離子體點(diǎn)火器如圖7所示。點(diǎn)火器采用同軸結(jié)構(gòu)，電極間采用陶瓷阻擋介質(zhì)，放電間隙為4mm，高壓電極安裝在爆震管頭部中心處，低壓電極與爆震管連接。低壓電極內(nèi)表面光滑，目的是產(chǎn)生均勻的流注放電。

2.3 等離子體點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電源

不同的等離子體點(diǎn)火器和點(diǎn)火方式，需要搭配不同的點(diǎn)火電源。現(xiàn)有用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火研究的電源可以歸結(jié)為三類，分別是納秒脈沖等離子體電源、基于電弧放電等離子體點(diǎn)火器的等離子體電源、基于介質(zhì)阻擋放電點(diǎn)火的低溫等離子體電源。

（1）納秒脈沖等離子體電源

納秒脈沖等離子體點(diǎn)火的關(guān)鍵是要有納秒脈沖電源，目前制造相關(guān)電源成本較高，且主要停留在試驗(yàn)階段。2005年，美國(guó)南加州大學(xué)的Wang Fei等[33]研究了基于偽火花開(kāi)關(guān)的脈沖等離子體電源，該技術(shù)的電源能夠制造出體積更小的等離子體電源。與美國(guó)海軍研究生院和空軍實(shí)驗(yàn)室的合作研究表明，使用該電源的等離子體點(diǎn)火器能夠大幅提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的DDT性能。

2009年，美國(guó)海軍研究生院的Sinibaldi，Brophy等[28]研制出了尺寸小巧的等離子體電源，新型小型化的等離子體電源能夠產(chǎn)生脈沖峰值60kV、脈寬12ns的高壓脈沖，更適合在航空器上安裝，電源如圖8所示。新型的脈寬12ns電源與之前的脈寬85ns等離子體電源在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，獲得了點(diǎn)火延遲時(shí)間。結(jié)果表明，除了混合氣在很小當(dāng)量比條件下，脈寬 12ns電源的點(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng)之外，在其他混合氣當(dāng)量比條件下，脈寬12ns電源的點(diǎn)火延遲時(shí)間與脈寬85ns電源的點(diǎn)火延遲時(shí)間相差不大。但是脈寬12ns電源的能量消耗為80mJ，而脈寬85ns電源的能量消耗為800mJ，脈寬12ns電源消耗的能量明顯減少。

2011年，美國(guó)南加州大學(xué)的Singleton[34]等研究了緊湊的等離子體電源，在定容反應(yīng)器中對(duì)比了電源的點(diǎn)火特性。研究結(jié)果表明，對(duì)于兩種不同的等離子體電源：脈寬54ns偽火花開(kāi)關(guān)式和脈寬12ns磁壓縮式，與傳統(tǒng)的電火花相比較，在很寬廣的混合氣當(dāng)量比條件下等離子體點(diǎn)火縮短了1/2的點(diǎn)火延遲時(shí)間。而脈寬54ns偽火花開(kāi)關(guān)式電源消耗的能量為365mJ，脈寬12ns磁壓縮式電源消耗的能量為75mJ。

目前公開(kāi)的文獻(xiàn)中用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的等離子體點(diǎn)火電源的峰值電壓和脈寬見(jiàn)表1。

（2）基于電弧放電等離子體點(diǎn)火器的等離子體電源

作者曾在空氣流量為0.0115kg/s、供油量為7.6L/h，當(dāng)量比為1.95、進(jìn)氣壓力為101.33kPa條件下，采用毫秒脈沖等離子體電源，使用碟形和圓柱等離子體點(diǎn)火器成功起爆爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，在點(diǎn)火頻率不變情況下，隨著空流量的增大，爆震波峰值和點(diǎn)火起爆時(shí)間都會(huì)增大;隨著當(dāng)量比不斷增大，爆震波峰值壓力也逐漸降低，點(diǎn)火起爆時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。毫秒脈沖等離子體電源CTP-2000K由南京蘇曼公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，如圖9所示。該電源為單高壓等離子體電源，輸出電壓為0～30kV，輸出電壓的脈沖頻率為10～1000Hz，占空比手動(dòng)可調(diào)節(jié)，電源功率為1000W。

（3）基于介質(zhì)阻擋放電點(diǎn)火的低溫等離子體電源

北京大學(xué)鄭殿峰[22]利用交流介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體起爆爆震，低溫等離子體電源交流電中心頻率為30kHz，輸出電壓為0～40kV，通過(guò)同步控制器，實(shí)現(xiàn)等離子體電源的單次放電時(shí)間為0.2ms，0.3ms，0.4ms和0.5ms，頻率為0.1～100Hz。當(dāng)?shù)蜏氐入x子體點(diǎn)火器單次放電時(shí)間為0.5ms時(shí)[35]，單次放電能量為0.2mJ左右。低溫等離子體電源和控制器如圖10所示。

納秒脈沖等離子體電源點(diǎn)火范圍大、能量利用率高，用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)能有效地提高其多項(xiàng)性能。從現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，利用納秒脈沖等離子體電源來(lái)點(diǎn)火，其脈寬越小，點(diǎn)火消耗能量越少，但是其對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間影響較小。但是現(xiàn)有的納秒脈沖等離子體電源，體積較大，生產(chǎn)制造成本較高，工程應(yīng)用還有較大難度。因此，小脈寬、小型化、低成本的納秒脈沖等離子體電源將是未來(lái)納秒脈沖等離子體電源的發(fā)展方向。此外，在目前脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不夠成熟的條件下，毫秒級(jí)別的等離子體電源成本較低，是試驗(yàn)研究階段較好的選擇。

2.4 等離子體點(diǎn)火的典型實(shí)施方案

根據(jù)直管形脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其點(diǎn)火的實(shí)施位置一般在封閉端或爆震室的前端。

（1）封閉端點(diǎn)火實(shí)施方案

根據(jù)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，點(diǎn)火的一端為封閉端，這樣有利于形成完整的爆震循環(huán)，同時(shí)形成較強(qiáng)的反射波，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。

美國(guó)海軍研究生院的研究方案中點(diǎn)火器位于封閉端，如圖11所示[20]?？諝夂腿剂戏謩e從上下兩側(cè)的通入PDE管道來(lái)進(jìn)行燃燒。高速動(dòng)態(tài)壓力傳感器被安裝在TPI系統(tǒng)中，用于測(cè)量不同位置的燃燒段的壓力上升，并確定點(diǎn)火延遲時(shí)間。

美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火起爆脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的布置方案如圖12所示[18]，采用的是封閉端點(diǎn)火方式。該點(diǎn)火器位于PDE管的頂部封閉端，且位于圓形管道的中心位置。1為爆震管底部，2為絕緣材料，3為金屬點(diǎn)擊，4為放電點(diǎn)火范圍。

北京大學(xué)也采用了封閉端的點(diǎn)火方式，如圖13所示[21]。點(diǎn)火器為同軸結(jié)構(gòu)，電極間采用陶瓷阻擋介質(zhì)，放電間隙為4mm，高壓電極安裝在爆震管頭部中心處，低壓電極與爆震管連接。低壓電極內(nèi)表面光滑，目的是產(chǎn)生均勻的流注放電。低溫等離子體點(diǎn)火器安裝在爆震管1頭部，爆震管1出口用膜片密封。先開(kāi)啟真空泵，將系統(tǒng)抽至一定的真空，填充氣體燃料分壓力份額，再填充剩余空氣。開(kāi)啟循環(huán)泵，使混氣均勻。關(guān)閉相應(yīng)的閥門，在觸發(fā)低溫等離子體電源同時(shí)，采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

作者設(shè)計(jì)的碟形等離子體點(diǎn)火器和圓柱等離子體點(diǎn)火器，采用的是在爆震室的前端點(diǎn)火方案，如圖14所示[29]。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣路、油路、爆震燃燒室、點(diǎn)火器、電源和測(cè)試系統(tǒng)等組成。從示意圖中可以看出，環(huán)形等離子體點(diǎn)火器安裝在爆震管的內(nèi)部，與爆震管是同心安裝，一方面作為點(diǎn)火器，另一方面可以作為爆震管的封閉端。碟形/圓柱等離子體點(diǎn)火器和火花塞點(diǎn)火器安裝在爆震管的側(cè)面，碟形/圓柱等離子體點(diǎn)火器和火花塞點(diǎn)火器具有相同接口，試驗(yàn)時(shí)可以相互進(jìn)行更換。

（2）雙瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火方案

美國(guó)海軍研究生院還采用了雙瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火的方案。該方案使用第二個(gè)電極來(lái)輔助點(diǎn)火，第二個(gè)電極位于爆震室中部靠前的位置，如圖15所示[36]。此點(diǎn)火方案的關(guān)鍵在于把握好第二個(gè)TPI電極點(diǎn)火源的觸發(fā)時(shí)間，需要在第一個(gè)電極的適當(dāng)時(shí)間延遲觸發(fā)，從而縮短DDT時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了等離子體點(diǎn)火的基本原理，提煉了等離子體點(diǎn)火的優(yōu)點(diǎn)。介紹了國(guó)內(nèi)外利用等離子體點(diǎn)火起爆脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究成果，總結(jié)了等離子體點(diǎn)火方式和對(duì)應(yīng)的等離子體點(diǎn)火電源。根據(jù)等離子體的放電點(diǎn)火原理，將等離子體點(diǎn)火器分為三類：電暈等離子體點(diǎn)火器、電弧放電等離子體點(diǎn)火器和介質(zhì)阻擋放電等離子體點(diǎn)火器。分析結(jié)果表明，相比于普通電火花點(diǎn)火，等離子體點(diǎn)火對(duì)提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)起爆性能（如縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間、縮短DDT時(shí)間和距離等）都具有明顯的作用，這為將來(lái)提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能（如縮短脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度、提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、工作頻率和可靠性）奠定基礎(chǔ)。針對(duì)等離子體點(diǎn)火技術(shù)及其在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的特點(diǎn)，作者認(rèn)為，今后還需要在如下領(lǐng)域開(kāi)展更加深入的研究工作。

（1）等離子體點(diǎn)火器工作機(jī)理研究

等離子體點(diǎn)火的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可，但是等離子體點(diǎn)火的詳細(xì)機(jī)理還不是很清楚。例如，等離子體點(diǎn)火的過(guò)程中出現(xiàn)的活性粒子成分、不同活性粒子對(duì)應(yīng)的不同反應(yīng)路徑、以及不同活性粒子對(duì)促進(jìn)燃燒的貢獻(xiàn)大小等都有待進(jìn)一步研究。等離子體點(diǎn)火的三種效應(yīng)已經(jīng)得到公認(rèn)，但是三種效應(yīng)分別如何影響點(diǎn)火和燃燒過(guò)程，每種效應(yīng)的貢獻(xiàn)率尚不清楚。由于等離子體點(diǎn)火技術(shù)涉及高電壓技術(shù)、流體力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)等多個(gè)方向，本身具有較大的復(fù)雜性，因此需要加大對(duì)等離子體點(diǎn)火機(jī)理的研究，對(duì)于等離子體點(diǎn)火開(kāi)展更為細(xì)致的基礎(chǔ)性理論研究工作。

（2）等離子體點(diǎn)火在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用研究

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)使用的近似于定容循環(huán)具有較高的熱循環(huán)效率，外加其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本，讓脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)空天推進(jìn)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但作為一種新型的動(dòng)力形式，現(xiàn)有脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在爆震的起爆、控制、保持、系統(tǒng)匹配工作等方面，都存在一定的不足。利用等離子體點(diǎn)火方式起爆脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在研究階段展現(xiàn)了良好性能，但仍處于試驗(yàn)探索階段，想要工程應(yīng)用還存在諸多問(wèn)題。如能夠應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用化小型高性能的等離子體點(diǎn)火電源依然是這一領(lǐng)域的短板。因此，今后應(yīng)該在等離子體點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電源的小型化、輕型化上多下功夫，開(kāi)展針對(duì)性的攻關(guān)。

（3）研究手段方法，應(yīng)該注重試驗(yàn)與仿真結(jié)合

本文總結(jié)的國(guó)內(nèi)外研究成果大部分通過(guò)試驗(yàn)得出，從公開(kāi)文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)于多物理場(chǎng)耦合的等離子體點(diǎn)火仿真研究較少。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為直觀觀察試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)較為真實(shí)。而數(shù)值仿真，在解釋等離子體點(diǎn)火的物理、化學(xué)機(jī)理，影響因素和變化規(guī)律等方面，具有十分重要的意義。因此，在今后研究中，應(yīng)該注意試驗(yàn)與仿真相結(jié)合。

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