等离子体技术助燃航空事业

文/刘荣 李会会

等离子体技术助燃航空事业

文/刘荣 李会会

等离子体在航空动力上，可以有效地提高燃烧稳定性和燃烧效率，且能极大改善航空发动机压气机增压比升高后的工作稳定性；而在飞机气动力上，等离子体可以减少飞机阻力，增加升力，提高战机的失速攻角和机动性。

何立明(右一)在俄罗斯作校际访问

何立明，空军工程大学教授，博士生导师，全国优秀教师，中国航空学会燃烧与传热传质专业委员会委员，国家精品课程负责人，军队院校育才奖金奖获得者；先后担任《航空学报》等10余家刊物审稿专家，是空军工程大学航空宇航推进理论与工程学科学术带头人；1990年开始从事燃烧室新型室壁结构及冷却技术方面的研究，对席壁冷却结构的冷却机理、冷却性能进行了理论计算与分析及实验研究，在此研究的基础上，提出了燃烧室新型迷宫复合冷却结构新构想；1994年开始从事脉冲爆震发动机关键技术方面的研究；1997年开始从事电站锅炉高效低污燃烧研究；先后主持、参与“973”、国家自然科学基金、国家“863”计划、军队科研等10余项科研项目，获军队(部级)科技进步二、三等奖6项，发表学术论文90余篇，编著出版教材5部。

2011年5月12日，我国首个等离子体动力学国家级实验室在空军工程大学挂牌成立。说到等离子体与航空的关系，流传最广的就是所谓的“俄罗斯战机使用等离子体隐身”这一说法，除此之外，即使是热爱军事的朋友，对这方面的了解也比较有限，等离子体距离我们的生活实在是太遥远了。究竟什么是等离子体，除了“战机隐身”，它在航空航天领域又有哪些应用呢？

据空军工程大学何立明教授介绍，等离子体是一种非固态、非液态、非气态物质，而是属于电离状态的物质第四态，在宏观上呈电中性，其运动主要受电磁力的支配，并表现出显著的集体行为。目前，在航空领域的等离子体研究主要集中在隐身和空气动力两个方面。

记者了解到，曾有报道称，等离子体在航空动力上，可以有效地提高燃烧稳定性和燃烧效率，且能极大改善航空发动机压气机增压比升高后的工作稳定性；而在飞机气动力上，等离子体可以减少飞机阻力，增加升力，提高战机的失速攻角和机动性。例如在航空发动机上，风扇、压气机是航空涡扇发动机的核心部件，提高发动机的推重比，增加压气机的增压比是有效方法之一，随之带来的问题则是压气机出口面积急剧缩小、效率严重降低，而通过在压气机的特定位置上布置等离子体激励装置，则会有效改善压气机内气体的流动效果，降低分离损失。

美国、前苏联等军事强国上世纪60年代便开始了等离子体研究，近年来，俄罗斯在等离子体技术研究上屡获突破性进展，遥遥领先于其他国家。但在同时期，我国此方面的研究几乎为零。随着现代和未来新技术战机对飞机总体性能的要求不断提高，等离子体技术的不断发展和它在航空领域中所表现出的不可比拟的诸多优势，使其成为各国技术攻关的核心焦点，吸引了大批科研人员的目光，何立明也在其中。

2002年以来，何立明带领团队，在国内开始了发动机尾喷口等离子体红外隐身技术以及备受关注的等离子体强化燃烧技术研究，为推动我国航空航天事业的发展作出了重要贡献。

何立明在俄罗斯考察

过去：起步晚 待突破

据了解，等离子体强化燃烧技术包括等离子体点火和助燃技术两方面。早在20世纪70年代，等离子点火技术就引起了各国专家的广泛关注，但由于当时的技术条件限制，其研究仅限于工业燃烧方面。“近年来，随着燃烧动力学和其他高科技的发展，等离子体点火与助燃技术逐渐受到航空航天动力界的重视。”何立明说，“等离子体点火的高温、射流和化学效应以及等离子体助燃所产生的化学、温升和气动效应能显著提高火焰的传播速度、强化在燃烧室内的燃烧过程，对提高航空发动机在恶劣条件下(空中再次起动)的起动可靠性，提高燃烧性能，增强燃烧的稳定性和减少对大气环境的污染具有重要作用和意义。”

记者了解到，2005年，美国将等离子体动力学列为美国空军未来几十年内保持技术领先地位的六大基础领域之一，同时美国空军推进系统研究实验室还将等离子体助燃列为未来先进发动机技术之一，而俄罗斯也开展了大量实验室原理实验。有报道称，俄罗斯和美国等航空发达国家已经研制出等离子体点火器，并在航空发动机上进行了高空点火试验。

何立明表示，国内等离子体点火与助燃方面的研究工作始于20世纪80年代，主要集中在燃煤设备(电站锅炉)的启动和助燃应用。一些高校、科研院所和锅炉制造厂等相继投入大量人力和财力，研究开发燃煤锅炉等离子点火和稳燃技术，并进行了数值模拟以及一些原理性的实验研究。自2007年起，空军工程大学才在国家自然科学基金及其他相关项目的资助下，结合重点实验室建设，开始探索等离子体点火与助燃的机理，建立了实验系统并进行相关实验研究。

何立明说：“我国等离子体点火与助燃研究起步比其他国家晚，技术基础也比较薄弱，特别是等离子体点火与助燃技术在航空发动机燃烧室中应用的关键技术还有待进一步突破。可以预见的是，如果突破了这个关键技术，将会为解决制约航空装备发展的瓶颈问题提供重要的基础支持，并能从根本上提升我国航空等离子体研究的创新能力。”

现在：缩短差距

等离子体点火具有等离子体射流核心温度高等技术优势，点火能量大、火舌穿透力强，可显著提高点火可靠性，缩短点火延迟时间，特别是有可能取消加力燃烧室的火焰稳定器，进而显著缩短加力燃烧室的长度，提高发动机推重比。但目前我国在等离子体强化燃烧技术研究方面，仍然面临诸多困难和挑战。比如，如何使燃烧室的工作范围足够大，在高温、低温或者高空小表速情况下也能可靠点火、稳定燃烧；如何在缩短激励燃烧长度的同时，能保证可靠点火、稳定燃烧，还能保证等离子体点火驱动电源和助燃激励电源的小型、轻型化和工作的可靠性等等，这些都是当下需要着重考虑的问题。

据悉，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》已经将磁流体和等离子体动力学列为“面向国家重大战略需求的基础研究”中的“航空航天重大力学问题。”“当务之急是要加强对等离子体技术的研究，努力缩短与发达国家之间的差距，并学习国外的先进技术，尽快实现等离子体技术在我国航空航天领域中的应用。”何立明说，“航空等离子体动力学国家级实验室的成立，很好地证明了国家对等离子体技术在航空领域应用研究的重视，科研人员应好好把握此次机会，推动我国等离子体技术在航空领域的快速发展。”

作为等离子体强化燃烧技术研究课题组组长，何立明带领团队在国家的资助下，开展了一系列研究：如进行了在燃烧室中产生等离子体的条件、机理、方法的理论分析、参数控制及实验测试方法的研究，等离子体助燃效果计算、等离子体点火与助燃过程的数值仿真和影响因素分析，建立并完善了等离子体点火与助燃实验系统，设计了原理性实验的等离子体点火器，进行了点火特性实验，为等离子体强化燃烧研究奠定了初步基础。

不仅如此，何立明课题组还设计了原理性实验的等离子体助燃激励器，并进行了激励特性，激励器几何参数、激励参数优化，助燃特性实验和助燃效果分析，获取了一批重要的一手资料。在理论分析的基础上，课题组建立了等离子体点火与助燃条件下的燃烧室三维流场数值计算模型，计算、分析了等离子体点火与助燃的机理和参数变化对等离子体点火与助燃的影响规律。为开展基础性实验研究，研制出了用于航空发动机燃烧室的验证性等离子体点火驱动电源、点火器和助燃激励器，为进行航空发动机燃烧室实验件的地面和高空模拟验证实验奠定了技术基础。

近年来，何立明课题组以等离子体动力学、燃烧学和飞机推进系统原理为理论基础，围绕提高航空发动机动力装置燃烧室的点火可靠性，扩大稳定燃烧范围，开展等离子体强化燃烧技术研究，极大地推动了国家重点学科“航空宇航推进理论与工程”的建设和发展。2005年，以课题组成果为重要支撑的“建设特色鲜明学科专业培养新型军事航空工程人才”教学成果荣获国家教学成果二等奖；2006年，《航空燃气涡轮发动机原理》网络课程获全军优秀网络课程一等奖；2007年，《飞机推进系统原理》课程教材获得国防工业出版社“优秀图书”二等奖，2008年，此课程被评为国家精品课程。

何立明(右四)在欧洲考察

“我们所取得的这些成果和奖励都有力地说明，经过一批科研人员的共同努力和近几年的大力建设和发展，我国等离子体技术的研究队伍和平台已初步建立。而国家级实验室的成立，更是推进我国在航空动力发展领域实现理论和技术创新的重要举措，也为国内相关领域发展学术研究和交流活动提供了共享平台。接下来我们要做的是开展更为深入的研究，突破目前仍然存在的瓶颈，拓宽我国等离子体技术在航空领域的发展局面。”何立明表示。

未来：争做后起之秀

一直以来，美国、俄罗斯等技术发达国家对航空等离子体动力学与技术研究十分重视，在这方面的投入也是大手笔，目前他们已经取得了一批具有重大影响和作用的成果。在国外，激光冲击强化、强流脉冲离子注等技术已经在工业上得以应用，且产生了巨大的军事、经济效益。不仅如此，这些国家的等离子体点火、低速等离子体流动控制技术已经完成试飞。而国内只有激光冲击强化实现实际应用，等离子体点火实现地面应用，其他技术只进行到原理研究或实验室验证阶段。

何立明说：“目前看来，我国与发达国家之间确实存在不小差距，但要想成为后起之秀也不是不可能，这需要有上至国家，下至科研院所、高校的支持和共同努力。去年等离子体动力学国家级重点实验室在空军工程大学挂牌成立，足以显示我国已经进入航空动力、飞行器气动力研究的前沿领域。未来，我国应大力发展航空等离子体动力学与技术研究，从而为航空装备研制和维修提供重要的技术支撑。”

我们相信，随着我国在等离子体动力学研究上的不断深入，中国在研制大推重比先进航空发动机的技术积累方面，将会更为深厚，从而也会为先进战机、航天飞行器等装备的发展奠定坚实基础。