等離子體的新用途

常毅

從等離子體的性質(zhì)說起

等離子體是繼物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的第四種物質(zhì)形態(tài)。它是由大量帶電粒子組成的非約束宏觀體系，內(nèi)部包含自由電子、自由離子和中性粒子，在自然界中廣泛存在。例如，將氣體加熱，當(dāng)其原子達(dá)到幾千甚至上萬攝氏度時，電子就會被原子被"甩"掉，原子變成只帶正電荷的離子。此時，電子和離子帶的電荷相反，但數(shù)量相等，氣體就會電離成為等離子體。人們經(jīng)常能看到的閃電、霓虹燈，還有南北兩極絢麗的極光，都是形成等離子體的氣體造成的效應(yīng)。軍事上的高空核爆炸、放射性核素的射線、強(qiáng)激光照射、高壓氣體放電、高速飛行器的激波在地球上空80～400千米的區(qū)域等都能夠形成等離子體。

人們通常利用形成等離子體放出的大量能量以及產(chǎn)生的高溫，切割金屬、制造半導(dǎo)體元件、進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)等。而在航空工業(yè)中，等離子體也有著廣泛的用途，其中最為一般人所熟悉的，是應(yīng)用于飛行器的雷達(dá)隱身。與常規(guī)的幾何隱身、吸波材料隱身相比，等離子體隱身具有吸波頻帶寬、效率高、使用簡便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，同時在使用過程中特征參數(shù)可變，可針對特定的雷達(dá)威脅進(jìn)行優(yōu)化；另外，等離子體隱身對飛機(jī)外形沒有特殊的要求，無需改變飛機(jī)的氣動外形設(shè)計，不影響飛行器的飛行性能，還可以把沒有隱身性能的現(xiàn)有飛機(jī)改裝成隱身飛機(jī)，由于沒有吸波材料涂層，還能降低維護(hù)費(fèi)用。

但是，等離子體在飛行器上的應(yīng)用，遠(yuǎn)不止“隱身”這一個用途可以簡單概括，事實(shí)上，科研工作者們早就開始了進(jìn)一步的研究工作。

“紫電”無人機(jī)

在2013年9月25日的北京航展上，中航工業(yè)杯第二屆國際無人飛行器創(chuàng)新大獎賽舉行了閉幕式暨頒獎儀式，其中，南京航空航天大學(xué)“紫電”團(tuán)隊?wèi){借“紫電”等離子體無人飛行器摘獲創(chuàng)意賽大獎，這也是本屆大獎賽的唯一一個大獎。“紫電”無人機(jī)與眾不同的特點(diǎn)，在于其機(jī)翼上布置了等離子體激勵器，通過控制激勵器放電產(chǎn)生等離子體，然后改變機(jī)翼表面的流動狀況，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制。對于“紫電”的名稱來源，帶隊的南航航空宇航學(xué)院史志偉教授有著生動的描述：“一方面，飛行器在工作時會發(fā)出紫色的光，像兩道紫色的閃電；另一方面，‘紫電這個名字，來源于王勃的《滕王閣序》‘紫電青霜，王將軍之武庫……一句，我們希望自己的作品也像‘紫電寶劍一樣一出劍鞘就展露鋒芒?！?/p>

等離子體氣動控制

“紫電”無人機(jī)是一架等離子無人飛行器。常規(guī)的飛行器，都是由飛機(jī)副翼的上下偏轉(zhuǎn)來控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。而采用等離子體來控制飛行器的飛行姿態(tài)，這種實(shí)踐在國內(nèi)外都是具有重要創(chuàng)新意義的。

在常規(guī)飛行器的機(jī)翼上加裝等離子體激勵器，可以利用等離子體所產(chǎn)生的射流作用，來提高飛機(jī)的升力?？蒲嘘爢T們利用這樣的原理，在“紫電”無人機(jī)左右機(jī)翼上安裝等離子體激勵器，當(dāng)右邊機(jī)翼的激勵器開啟時，右邊升力增加，飛機(jī)就會向左邊傾斜，同樣，左機(jī)翼開啟時，飛機(jī)就會向右傾斜，從而就可以依靠等離子體來實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制。

等離子體為何能實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制呢？這要從機(jī)翼的原理說起。空氣流過機(jī)翼時，在機(jī)翼下方流速較小，壓力較大；在機(jī)翼上方流速較大，壓力較小，從而產(chǎn)生向上的升力；另外，在機(jī)翼后緣，由于氣流分離形成渦流區(qū)，當(dāng)機(jī)翼后緣不是固定的，而是活動的舵面時，隨著舵面的轉(zhuǎn)動，渦流區(qū)的形狀、阻力都會發(fā)生顯著變化，與直接作用在舵面上的氣動力共同形成操縱力。

當(dāng)前的研究結(jié)果顯示，當(dāng)在機(jī)翼后緣渦流區(qū)設(shè)置等離子體激勵器之后，產(chǎn)生的等離子體氣動激勵可以有效的抑制渦流區(qū)的氣流分離，從而起到減阻、增升的作用，能顯著提高翼型的升力系數(shù)，并增加機(jī)翼的臨界仰角（氣流發(fā)生分離的仰角）。如果只在機(jī)翼的一個表面安裝等離子體激勵器（如“紫電”無人機(jī)的方案），通過兩側(cè)機(jī)翼升力的不平衡，就能產(chǎn)生橫滾力矩；如果采用正交布置的十字形（或者X形）翼面，就能起到常規(guī)舵面的操縱效果。

等離子體姿態(tài)控制具有體積小、無運(yùn)動部件、重量輕、功耗低、作用頻帶寬、可靠性高、響應(yīng)快，不使用時對流場影響較小等優(yōu)點(diǎn)。遺憾的是，等離子體氣動控制的真正作用機(jī)理至今為止還沒有完全探究透徹，各國科學(xué)家基于不同的研究方向?qū)ζ溆兄煌睦斫夂捅硎?，但獲得比較多認(rèn)可的解釋，是認(rèn)為等離子體向氣流中補(bǔ)充了一定的能量，從而誘使氣流分離延遲，進(jìn)而產(chǎn)生了氣動控制的效果。

目前存在的問題

目前，等離子體氣動控制仍處于初步的研究、試驗(yàn)階段，仍有許多工程應(yīng)用上的問題亟待解決。例如，由于在適當(dāng)范圍內(nèi)產(chǎn)生、維持一定電子密度的等離子體需要消耗較多的能源，使得等離子體控制可以使用的面積受到限制；高壓激勵器需要維持?jǐn)?shù)萬伏的高電壓，難以保證較長的使用壽命，放電區(qū)域的材料也會因?yàn)榈入x子體侵蝕而發(fā)生損傷，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞；用電弧放電的方法產(chǎn)生等離子體的同時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻輻射、閃光和紫外線，等離子體復(fù)合也會產(chǎn)生光輻射，這些自激信號不僅不利于飛行器的隱身，而且也可能使飛行員受到傷害；飛行器在較低高度飛行時，由于高度低、空氣密度大，相對速度大，等離子體形成的密度不夠，等離子體流動控制的效率會下降；產(chǎn)生等離子體需要分子、原子作為電離對象，在真空中飛行的衛(wèi)星和戰(zhàn)略導(dǎo)彈等飛行器難以利用等離子體控制技術(shù)。

未來展望

雖然等離子體氣動控制目前還存在著諸多問題，但由于其優(yōu)勢明顯，特別是無需附加舵面、高速響應(yīng)的特性，對于在空氣中巡航的飛行器是夢寐以求的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)目前等離子體控制研究的現(xiàn)狀，推測未來等離子體控制的實(shí)際應(yīng)用有兩個主要方向。其一是小型無人機(jī)，由于其巡航速度低、相對速度不大，有利于等離子體的保持，而需要的控制力也不大，能夠簡化飛控系統(tǒng)、減少活動舵面的等離子體控制可謂是不二之選。其二是高超聲速巡航導(dǎo)彈，由于高超聲速導(dǎo)彈需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般有翼導(dǎo)彈響應(yīng)速度的舵機(jī)，才能保證在極短的時間內(nèi)修正飛行姿態(tài)，等離子體恰好可以滿足這個需求，另外，以高超聲速巡航的導(dǎo)彈也有利于等離子體的產(chǎn)生和保持，雖然相對速度大，但仍有可能維持足夠的等離子體氣動控制能力。隨著等離子體研究的進(jìn)一步推進(jìn)，使用這種新技術(shù)的實(shí)用飛行器可能很快就能展現(xiàn)在我們的眼前。

責(zé)任編輯：王鑫邦endprint