于哲峰, 孫良奎, 馬 平, 梁世昌, 張志成, 黃 潔

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

空氣動力學是研究物體和空氣之間有相對運動時，即物體在空氣中運動或物體不動而空氣流過物體時，空氣的運動規(guī)律及作用力(空氣內(nèi)部的和空氣對物體的)所服從規(guī)律的學科。這一學科是隨著航空、航天事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的?？諝鈩恿W在向前發(fā)展的同時，也在不斷地與其它學科相互融合、相互交叉，產(chǎn)生了氣動熱、氣動光學、氣動聲學等交叉學科。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行處理。計量資料以“±s”表示，采用t檢驗。計數(shù)資料以百分數(shù)（%）表示，采用x2檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

目前國內(nèi)外航空和航天一些熱點研究方向如再入/臨近空間高超聲速飛行器目標特性、通信中斷、氣動隱身一體化、等離子體隱身、等離子體流動控制和電磁推進研究等，形成既涉及到空氣動力學又涉及到電磁學的交叉領域[1-8]。這些熱點問題涉及到共同的基礎理論、分析方法、試驗設備和測試儀器，目前有一些概念如磁流體力學、電/磁空氣動力學、等離子體空氣動力學等來定義這些問題，但都不夠全面。例如，磁流體力學是主要考察導電流體在磁場作用下運動規(guī)律的學科，也即考察磁場如何影響著流體的運動，反之流體的運動又是如何影響著電磁場[9]。然而磁流體力學未能包括再入/臨近空間高超聲速飛行器目標特性、通信中斷、氣動隱身一體化等需要考慮空氣動力對電磁信號影響的問題。中國空氣動力研究與發(fā)展中心張志成研究員在《氣動物理學》一書中首次提出了氣動電磁學的概念：研究高超聲速飛行器的等離子體繞流場和尾流場的變化規(guī)律及其與電磁波的相互作用規(guī)律[10]。但是該概念未能包涵氣動隱身一體化、等離子體隱身、等離子體流動控制和電磁推進等非高超聲速涉及到的氣動和電磁學問題?？傊F(xiàn)有的磁流體力學、氣動電磁學等概念只能涵蓋部分內(nèi)容。

本文將原有的氣動電磁學定義進行了擴展，將氣動電磁學定義為既涉及到空氣動力學又涉及到電磁學，研究飛行器流場與電磁場相互影響、相互作用規(guī)律的交叉學科，涉及的學科主要包括空氣動力學、電磁學以及等離子體學等，研究方向主要包括再入/臨近空間高超聲速飛行器目標特性、通信中斷、氣動隱身、等離子體隱身、等離子體流動控制和電磁推進等。

我于是很懷疑王爺表演朱登春那個角色時，是不是也下意識將自己的心渡到了那角色身上。不過，他的痛不是兒失慈娘的悲痛，而是父失孝子——在王爺近七十歲時，他二兒子一次醉酒，再也沒有醒來。

圖1 氣動電磁學主要研究方向Fig.1 Research directions of aero-electromagnetics

1 典型氣動電磁學問題

高超聲速飛行器再入大氣層或在臨近空間飛行時，在飛行器表面會形成等離子鞘套，在其下游形成電離尾跡，嚴重影響高超聲速飛行器的電磁散射特性[11]。最初，只在再入段關心等離子體流場對高超聲速飛行器電磁散射特性的影響，隨著臨近空間飛行器概念的提出，在整個飛行過程中都需要考慮這種影響。臨近空間飛行器本身速度快、機動范圍大、落點無法預測、臨近空間氣動環(huán)境雜等因素，利用現(xiàn)有防御系統(tǒng)實現(xiàn)臨近空間飛行器的遠程預警、跟蹤識別、有效攔截、實時評估還有較大的難度。為了實現(xiàn)對臨近空間飛行器的有效預警和探測，臨近空間高超聲速飛行器雷達散射特性機理研究、相關的雷達探測跟蹤理論方法和探測雷達組網(wǎng)方式等成為近期國內(nèi)外研究的熱點。

1.1 高超聲速飛行器電磁散射特性

下面介紹一些航空航天領域比較典型的氣動電磁學問題。

1.2 通信中斷

高超聲速飛行器再入大氣層和在臨近空間飛行時，在飛行器表面會形成等離子鞘套，電磁波通過等離子體鞘套傳播過程中被等離子體鞘套反射和吸收，波束強度發(fā)生衰減，并出現(xiàn)偏折、延時、相移等現(xiàn)象，甚至可能發(fā)生電磁波傳輸?shù)耐耆袛?，即“通信中斷”或“黑障”，嚴重影響高超聲速飛行器的飛行控制和安全。近幾年，隨著臨近空間高速飛行器的發(fā)展，國內(nèi)又掀起了等離子鞘套下信息傳輸研究的熱潮，在等離子體流場精確診斷、試驗設備上建立暗室環(huán)境消除復雜環(huán)境對通信中斷試驗的電磁干擾、真實信號在等離子體鞘套中傳輸特性等方面取得了新的研究進展。采用的提高通信頻率(采用毫米波和太赫茲通信)、激光通信、外加強電磁場干預、低頻磁場波通信、飛行器外形和彈道優(yōu)化等方法有望部分解決通信中斷問題[12]。

1.3 氣動隱身一體化

日益興盛的小衛(wèi)星和微衛(wèi)星和微型行星探測器要求星上的推進系統(tǒng)質(zhì)量更輕、體積更小和效率更加高，因此比沖高、結構緊湊、消耗工質(zhì)少的電推進引起航天器設計師們的注意和青睞[16]。電推進是使用電能加速的工作介質(zhì)(工質(zhì))形成高速射流而產(chǎn)生反作用推力的技術。電推進按其工質(zhì)的加速方式分為三種類型:電熱式、靜電式和電磁式。在提高推力方面，近年來提出了大推力螺旋波等離子體發(fā)動機概念，它采用螺旋波電離產(chǎn)生高密度等離子體，并通過離子回旋共振加熱方式高效吸收射頻能量，將電磁波能量轉化為離子的動能，形成高溫等離子體流并在洛倫茲力、氣動力和靜電場等多物理場作用下加速，形成高速等離子體射流產(chǎn)生推力。

1.4 等離子體隱身

飛行器的氣動性能和電磁性能涉及兩個不同學科的目標，需要根據(jù)任務的具體要求，建立描述氣動與電磁性能的目標函數(shù)，對飛行器的氣動特性和電磁特性進行綜合分析與優(yōu)化。

1.5 等離子體流動控制

從節(jié)能和最大限度地提高飛行器性能這兩種觀點來看，減阻都具有最大潛力。用等離子體減小飛行器的氣動阻力是近年來國外提出的又一新概念。其主要方法有：逆向噴流減阻、邊界層控制減阻和局部能量點源減阻。國內(nèi)外的一些風洞試驗和計算結果已證明了等離子體減阻效果的顯著性[15]。近年來隨著超燃沖壓發(fā)動機的發(fā)展，為了充分利用超燃沖壓發(fā)動機在高超聲速條件下比沖最大的優(yōu)點，需要保證發(fā)動機在高超聲速飛行條件變化范圍內(nèi)有效地工作，為此，就要求研制受控的進氣道和燃燒室，以便提供穩(wěn)定的超聲速燃燒。以俄羅斯莫斯科大學、西伯利亞分院理論與應用力學所為代表的研究機構使用電磁流體動力系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)定點火、增強燃燒混合，提高推進系統(tǒng)熱電力循環(huán)效率，并且能提高其比沖和推力。

對于我國來說，制定促進農(nóng)戶適應新型農(nóng)業(yè)食品體系的政策是非常必要的。政策旨在解決農(nóng)戶參與超市供應鏈時可能遇到的營銷壁壘，以及促進集體行動，從而盡可能地降低農(nóng)戶參與過程中的交易成本。

1.6 電推進

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中為了提高飛行器的突防能力，除要求飛行器具有良好的空氣動力學特性外，還要求飛行器具有良好的隱身性能。也就是說，飛行器設計必須降低雷達散射截面(RCS)。飛行器RCS大小不僅受電子設備、材料結構等因素的影響，而且與飛行器外形有密切的關系，因此，低RCS外形是實現(xiàn)飛行器高隱身性能的基礎與關鍵之一。美國SR721偵察機、B2轟炸機和F22戰(zhàn)斗機等都采用了氣動隱身一體化設計。在理論分析方面，隨著計算機性能的不斷提升和計算方法的不斷改進，基于數(shù)值求解N-S方程和Maxwell方程的飛行器氣動與隱身特性精確數(shù)值模擬方法被廣泛使用。對進氣道、尾噴管和彈倉等重點部件或位置氣動隱身特性的研究不斷深入。在測試方面，重點發(fā)展了全尺寸飛行器模型雷達散射特性測量、飛行器模型氣動隱身特性自由飛模擬等試驗技術[13]。

2 氣動電磁學涉及的主要機理問題

真空中相對磁導率和相對電導率都是1，而當空氣電離形成等離子體時，其相對磁導率仍然為1，相對介電常數(shù)εr則變?yōu)閺蛿?shù)，并且有如下形式:

2）標準溶液濃度的不確定度。根據(jù)經(jīng)驗，由于稀釋引起的不確定度很小，可忽略不計，故砷元素形態(tài)標準溶液配制的不確定度即為砷元素形態(tài)標準溶液的不確定度。

西施在男性文化中被塑造成美女的形象，而在女詩人筆下，卻凸顯其幫助越國實現(xiàn)霸業(yè)的不朽功績。借助對歷史的重新評判，詩人也實現(xiàn)了自身的定位。其72歲高齡所作的《琴樓遺稿序》里，還明確提出了女性生存價值的衡量標準：

2.1 高溫等離子體流場特性研究

氣動電磁學除了會涉及到常規(guī)的低速、高速和高超聲速空氣動力學外，還往往涉及到高溫等離子體流場特性研究?？諝庠谶_到一定溫度時將發(fā)生離解和電離，分子和原子的內(nèi)能模式有不同程度的激發(fā)并形成高溫氣體流場，過程中非常復雜。流場高溫化學非平衡過程涉及到各種高溫氣體效應，包括化學平衡/非平衡/凍結效應和熱力學平衡/非平衡/凍結效應等。

2.2 氣動對電磁特性的影響

氣動電磁學涉及到空氣動力學、電磁學和等離子體物理學等多個學科，有許多機理問題需要解決。

電弧風洞、高頻等離子體風洞、高溫激波管/粉末激波管和彈道靶四種設備產(chǎn)生等離子體的典型參數(shù)及特點由表2給出。

2.3 電磁對氣動特性的影響

電磁對氣動特性的影響主要包含兩個方面：一是電磁場可以向流場中注入能量，使飛行器周圍的流場結構(波系結構和邊界層結構狀態(tài))發(fā)生變化，致使飛行器的氣動特性和物理特性發(fā)生改變，從而改變飛行器的氣動性能；二是流場中的帶電粒子在電磁場中將受到電場力和磁場力的作用， 利用電磁力可以控制邊界層，減小邊界層的湍流度和/或防止湍流渦系的產(chǎn)生，使流體加速產(chǎn)生推力。

2.4 氣動特性和電磁特性的綜合分析與優(yōu)化

等離子體隱身技術作為一種全新的隱身概念，具有吸波頻帶寬、效率高、使用簡便、價格便宜等優(yōu)點，特別是應用于飛行器隱身時無須改變飛行器的外形，解決了隱身措施與氣動性能的矛盾，日益受到國內(nèi)外國防決策機構和軍事專家的關注。據(jù)報道，俄羅斯已成功地將等離子體隱身技術應用到新型戰(zhàn)斗機T-5上，美國和加拿大等國也積極開展相關研究。近年來，電磁波在等離子體中的衰減已經(jīng)被理論分析和數(shù)值模擬結果廣泛證實，研究者們目前更關心如何在工程上實現(xiàn)飛行器的等離子體隱身。由于開放式的等離子體的可控性與穩(wěn)定性都較差，因而越來越多的研究者開始關注如何利用封閉式的發(fā)生器來產(chǎn)生等離子體并實現(xiàn)對飛行器的隱身[14]。

3 主要試驗裝置和測量技術

開展氣動電磁學試驗時，除了利用常規(guī)風洞和微波暗室等氣動和電磁研究設備外，往往還需要等離子體地面模擬裝置。從機理上現(xiàn)有的比較實用的等離子體地面模擬裝置可以分為兩類：一種為熱激發(fā)式等離子體，利用高溫產(chǎn)生的等離子體；另一種為電激發(fā)式等離子體，利用氣體放電產(chǎn)生出等離子體。前者主要包括激波管、燃燒型等離子體發(fā)生器和彈道靶等。后者包括電弧風洞、等離子體風洞和其它各種氣體放電型等離子體發(fā)生器。不同類型的氣體放電等離子體發(fā)生器參數(shù)如表1所示。

要創(chuàng)設“說”書的時機。教師要給學生創(chuàng)設“說”課外書的時機，讓他們來交流討論自己讀過的課外書，可以開課外書交流會、“說”書會等。有時可以圍繞一本書來“說”，有時可以不定主題地“說”，最重要的是讓學生們能圍繞著書大膽自由地說起來就行了。

(1)填補監(jiān)測空白，提高站網(wǎng)密度。持續(xù)開展地下水監(jiān)測站點建設工作，填補魯中南中低山丘陵區(qū)和魯東低山丘陵區(qū)部分地區(qū)裂隙巖溶水和基巖裂隙水的監(jiān)測空白，加密地下水降落漏斗區(qū)、地面沉降區(qū)、巖溶塌陷區(qū)和大中型水源地的目標含水層監(jiān)測點密度[12]，達到《區(qū)域地下水位監(jiān)測網(wǎng)設計規(guī)范》(DZ/T0271-2014)中對地下水位監(jiān)測點密度的要求，進一步優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)絡，使站網(wǎng)布局更趨合理。

表1 不同類型的氣體放電等離子體發(fā)生器參數(shù)Table 1 Parameters of the different plasma generators

表2 四種設備產(chǎn)生等離子體的典型參數(shù)Table 2 Plasma parameters of four typical facilities

氣動電磁學還涉及到一些共用的測量技術，主要包括流場測量技術、等離子體診斷技術和電磁特性測量技術等。

4 已開展的工作

課題組前期在再入/臨近空間高超聲速飛行器雷達散射截面(RCS)物理靶試驗與數(shù)值模擬、磁窗天線增強等離子體鞘套透波特性、噴流等離子體隱身技術和鈍錐體氣動隱身一體化設計方面開展了一些研究，下面分別加以簡單介紹。

4.1 再入/臨近空間飛行器RCS試驗與模擬

課題組為了研究等離子體對高超聲速模型RCS的影響，利用氣動物理靶對高超聲速模型的RCS進行了測量，給出了雷達接收信號的頻譜和模型RCS的一維距離像[17-20]。針對試驗狀態(tài)，對飛行器本體及繞流RCS特性進行了模擬，分析了等離子體鞘套及尾跡對模型電磁散射特性的影響。鈍錐模型和尾跡流場紋影照片如圖2(a)所示，氣動物理靶試驗設備如圖2(b)，模型本體和尾跡RCS試驗與仿真結果對比如圖2(c)所示。在此基礎上，系統(tǒng)地對升力體外型臨近空間高超聲速飛行器RCS特性開展了研究[17]。利用臨近空間高超聲速飛行器后面會形成幾百米、甚至上千米的等離子體尾跡流場，對低于等離子體頻率的電磁波產(chǎn)生很強散射的特點，探討了利用天波超視距雷達探測類HTV2臨近空間高超聲速飛行器的可行性。

(a) 高超聲速模型流場氣動物理靶試驗陰影照片(中國空氣動力研究與發(fā)展中心謝愛民高工提供)

(b) 氣動物理靶

(c) 尾跡RCS試驗與仿真結果對比

4.2 磁窗天線增強等離子體鞘套透波特性研究

外加強磁場可以形成“磁窗”，有效地增強右旋圓極化電磁波在等離子體鞘中傳播時的透波特性，但要

形成磁窗還存在磁體的重量和復雜性等問題，為解決這一問題，提出了天線和強永磁體一體化綜合設計的新方法——磁窗天線，使得磁窗天線既具有天線發(fā)射通信信號的功能，又具有產(chǎn)生強磁場改善等離子體透波特性的功能，并且天線和永磁鐵之間不會相互影響[21-22]。磁窗天線結構圖如圖3(a)所示，周圍磁場強度分布如圖3(b)所示，典型狀態(tài)下增強等離子體鞘套透波特性效果如圖3(c)所示。

(a) 一體化磁窗天線

(b) 磁窗天線周圍磁場強度分布云圖

(c) 磁窗天線與普通天線的對比

4.3 噴流等離子體隱身技術研究

利用微型固體火箭發(fā)動機作為等離子體發(fā)生器產(chǎn)生非均勻等離子體流場，分析了等離子體流場對平板RCS特性的影響[23-24]。等離子體發(fā)生器和微波反射儀測量示意圖如圖4所示，接收機輸出功率隨時間變化曲線如圖5所示，利用時域有限差分方法計算得到的RCS隨測量角度變化曲線如圖6所示。

圖4 等離子體發(fā)生器和微波反射儀測量示意圖Fig.4 Plasma generator and the sketch of microwave test

圖5 接收機輸出功率隨時間變化曲線Fig.5 Curve of the reciever output power vs. test time

圖6 RCS隨雙站角變化曲線Fig.6 RCS vs. bistatic angle

4.4 氣動隱身一體化設計

從多目標、多學科綜合分析的角度出發(fā)，結合實際工程問題，研究了縮比模型和小翼彈頭的隱身與氣動綜合特性，提出了兩種綜合性能更優(yōu)的彈頭外形[25]。不同底部形狀的壓力等值線如圖7所示，底部形狀分別為錐體和橢球體時RCS隨橢球體軸長和錐體高變化曲線如圖8所示，零升阻力系數(shù)隨橢球體軸長和錐體高變化曲線如圖9所示。

以“2.3.2”項下擬合模型為目標函數(shù)，使用Matlab 2014b軟件的GADS工具箱，采用遺傳算法求解指標成分的最優(yōu)提取工藝條件。遺傳算法工具GUI參數(shù)設置見表5；隨機搜索10次，結果見表6。由表6可知，10次隨機搜索結果的變異范圍較小，對目標函數(shù)最佳值的逼近程度較好。因此，取10次隨機搜索的平均水平即60.872 000%乙醇提取3.105 564 h、液料比15.719 832∶1（mL/g），預測綜合評分為2.895 433。

(a) 普通鈍錐模型

(b) 底部為錐體，a=8 mm

(c) 底部為橢球，a=8 mm

圖8 RCS隨橢球體軸長和錐體高變化曲線Fig.8 RCS of the model with ellipsoidal or cone bottoms

圖9 零升阻力系數(shù)隨橢球體軸長和錐體高變化曲線Fig.9 Resistance coefficient of the model at 0°attack angle

5 總 結

氣動電磁學涉及的相關研究在航空和航天領域具有巨大的應用潛力，成為近年來世界空氣動力學領域研究的新熱點。但是應該看到，由于氣動電磁學是一門涉及空氣動力學、電磁學、等離子體學、熱力學和化學動力學等許多學科的交叉學科，涉及的專業(yè)面很寬，技術復雜，因此，研究難度也很大。在基礎理論、數(shù)值模擬、試驗設備與測試技術等方面有許多難關需要攻克。

今后需建設可以開展各類氣動電磁學問題研究的通用試驗和仿真平臺。建立復雜外形高超聲速飛行器雷達散射特性、氣動傳輸效應、強電磁場流動控制試驗方法和仿真手段。形成高超聲速飛行器等動目標光電特性分析評估能力、動目標等離子體繞流對通信導航電磁波影響分析評估能力、強電磁場產(chǎn)生和流動控制能力，氣動隱身一體化綜合設計與評估能力。為新一代航空、航天飛行器氣動、隱身和通信等方面綜合性能提升提供技術支持。