氣動電磁學(xué)概念探討及若干研究進展介紹

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(xué)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(xué)科。這一學(xué)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(xué)在向前發(fā)展的同時，也在不斷地與其它學(xué)科相互融合、相互交叉，產(chǎn)生了氣動熱、氣動光學(xué)、氣動聲學(xué)等交叉學(xué)科。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學(xué)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?jǐn)?shù)（%）表示，采用x2檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)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(biāo)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(xué)又涉及到電磁學(xué)的交叉領(lǐng)域[1-8]。這些熱點問題涉及到共同的基礎(chǔ)理論、分析方法、試驗設(shè)備和測試儀器，目前有一些概念如磁流體力學(xué)、電/磁空氣動力學(xué)、等離子體空氣動力學(xué)等來定義這些問題，但都不夠全面。例如，磁流體力學(xué)是主要考察導(dǎo)電流體在磁場作用下運動規(guī)律的學(xué)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(xué)未能包括再入/臨近空間高超聲速飛行器目標(biāo)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(xué)》一書中首次提出了氣動電磁學(xué)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(xué)問題?？傊?，現(xiàn)有的磁流體力學(xué)、氣動電磁學(xué)等概念只能涵蓋部分內(nèi)容。

本文將原有的氣動電磁學(xué)定義進行了擴展，將氣動電磁學(xué)定義為既涉及到空氣動力學(xué)又涉及到電磁學(xué)，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(xué)科，涉及的學(xué)科主要包括空氣動力學(xué)、電磁學(xué)以及等離子體學(xué)等，研究方向主要包括再入/臨近空間高超聲速飛行器目標(biāo)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(xué)主要研究方向Fig.1 Research directions of aero-electromagnetics

1 典型氣動電磁學(xué)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(yán)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(guān)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(yù)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(yù)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(yù)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(guān)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(lǐng)域比較典型的氣動電磁學(xué)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”，?yán)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(shè)備上建立暗室環(huán)境消除復(fù)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(yù)、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(jié)構(gòu)緊湊、消耗工質(zhì)少的電推進引起航天器設(shè)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(shù)。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(zhuǎn)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(xué)科的目標(biāo)，需要根據(jù)任務(wù)的具體要求，建立描述氣動與電磁性能的目標(biāo)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(fēng)洞試驗和計算結(jié)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(xué)、西伯利亞分院理論與應(yīng)用力學(xué)所為代表的研究機構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(shè)計必須降低雷達散射截面(RCS)。飛行器RCS大小不僅受電子設(shè)備、材料結(jié)構(gòu)等因素的影響，而且與飛行器外形有密切的關(guān)系，因此，低RCS外形是實現(xiàn)飛行器高隱身性能的基礎(chǔ)與關(guān)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(shè)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(shù)[13]。

2 氣動電磁學(xué)涉及的主要機理問題

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

2）標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溶液配制的不確定度即為砷元素形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)：

2.1 高溫等離子體流場特性研究

氣動電磁學(xué)除了會涉及到常規(guī)的低速、高速和高超聲速空氣動力學(xué)外，還往往涉及到高溫等離子體流場特性研究。空氣在達到一定溫度時將發(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(fù)雜。流場高溫化學(xué)非平衡過程涉及到各種高溫氣體效應(yīng)，包括化學(xué)平衡/非平衡/凍結(jié)效應(yīng)和熱力學(xué)平衡/非平衡/凍結(jié)效應(yīng)等。

2.2 氣動對電磁特性的影響

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

電弧風(fēng)洞、高頻等離子體風(fēng)洞、高溫激波管/粉末激波管和彈道靶四種設(shè)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(jié)構(gòu)(波系結(jié)構(gòu)和邊界層結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)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(gòu)和軍事專家的關(guān)注。據(jù)報道，俄羅斯已成功地將等離子體隱身技術(shù)應(yīng)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(guān)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(jié)果廣泛證實，研究者們目前更關(guān)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(guān)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(shù)

開展氣動電磁學(xué)試驗時，除了利用常規(guī)風(fēng)洞和微波暗室等氣動和電磁研究設(shè)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(fēng)洞、等離子體風(fēng)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(shè)“說”書的時機。教師要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)“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(xué)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(shè)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(biāo)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(shè)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(luò)，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(shè)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(xué)還涉及到一些共用的測量技術(shù)，主要包括流場測量技術(shù)、等離子體診斷技術(shù)和電磁特性測量技術(shù)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(shù)和鈍錐體氣動隱身一體化設(shè)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(shè)備如圖2(b)，模型本體和尾跡RCS試驗與仿真結(jié)果對比如圖2(c)所示。在此基礎(chǔ)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(jié)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(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shè)計

從多目標(biāo)、多學(xué)科綜合分析的角度出發(fā)，結(jié)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(biāo)函數(shù)，使用Matlab 2014b軟件的GADS工具箱，采用遺傳算法求解指標(biāo)成分的最優(yōu)提取工藝條件。遺傳算法工具GUI參數(shù)設(shè)置見表5；隨機搜索10次，結(jié)果見表6。由表6可知，10次隨機搜索結(jié)果的變異范圍較小，對目標(biāo)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(yù)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(jié)

氣動電磁學(xué)涉及的相關(guān)研究在航空和航天領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，成為近年來世界空氣動力學(xué)領(lǐng)域研究的新熱點。但是應(yīng)該看到，由于氣動電磁學(xué)是一門涉及空氣動力學(xué)、電磁學(xué)、等離子體學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)等許多學(xué)科的交叉學(xué)科，涉及的專業(yè)面很寬，技術(shù)復(fù)雜，因此，研究難度也很大。在基礎(chǔ)理論、數(shù)值模擬、試驗設(shè)備與測試技術(shù)等方面有許多難關(guān)需要攻克。

今后需建設(shè)可以開展各類氣動電磁學(xué)問題研究的通用試驗和仿真平臺。建立復(fù)雜外形高超聲速飛行器雷達散射特性、氣動傳輸效應(yīng)、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(biāo)光電特性分析評估能力、動目標(biāo)等離子體繞流對通信導(dǎo)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(shè)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(shù)支持。