临近空间螺旋桨等离子体激励器试验研究

姜家文，田希晖，陈庆亚，聂万胜

(1.装备学院 研究生院，北京 101416； 2.装备学院 航天装备系，北京 101416)



临近空间螺旋桨等离子体激励器试验研究

姜家文1，田希晖2，陈庆亚1，聂万胜2

(1.装备学院 研究生院，北京 101416； 2.装备学院 航天装备系，北京 101416)

基于螺旋桨的雷诺数相似和等离子体射流相似，用地面缩比螺旋桨样机模拟临近空间螺旋桨的工作状态。试验选取了两种形状的暴露电极(常规矩形激励器和新型细丝激励器)，分别对螺旋桨的转矩、静推力和功率进行了测量，并通过计算获得了功率效率和增效效率。研究表明，SDBD开启对螺旋桨产生了明显的增升减阻作用，且细丝激励器效果要比矩形激励器效果更好。

螺旋桨；SDBD；电极形状；临近空间

0 引言

临近空间飞艇在通信保障，情报收集，电子压制，实时预警，空间打击等方面具有巨大潜力[1]。作为主要动力设备的螺旋桨却因为临近空间的气体密度较低而效率较低，难以实现临近空间飞艇需要的“上得去、下得来、控得住”的总目标。传统的变桨径、变桨距机械结构，虽然能较好地满足宽工况的条件，但是却额外增加了活动部件，减少了有效载荷量，也降低了螺旋桨的工作可靠性[2]。表面介质阻挡放电(SDBD)作为一种新型的流动控制技术，具有轻质、宽工况、反应迅速、无活动部件、全电控以及对动态空气动力部件控制极其理想等特点[3]。国内外有许多关于SDBD用于抑制翼型流动分离的相关文献[4]，但是却鲜有将SDBD应用于临近空间螺旋桨上开展试验和理论方面的研究报道。在近十几年的研究中，传统的矩形激励器，即暴露电极为矩形，产生的增效达到试验室能获取的极限值，但是距工程实际应用仍有一定差距[6]。近年来有文献指出改变暴露电极的形状可以得到更好的优化结果[7]。本文基于螺旋桨的雷诺相似和等离子体相似，用地面缩比螺旋桨样机模拟临近空间螺旋桨的工作状态。试验选取了两种形状的暴露电极(常规矩形激励器和新型细丝激励器)进行研究，讨论SDBD对螺旋桨的增效能力以及不同激励器产生增效的区别。

1 试验原理和试验设备

现阶段没有可以直接在地面进行临近空间测试的试验条件，因此采用的螺旋桨为临近空间实际的缩比型，其依据为雷诺相似和等离子体相似。相似原则如下：

螺旋桨雷诺相似：

式中，n为螺旋桨转速，D为螺旋桨直径，ρ为空气密度，μ为空气粘性系数，下标0表示临近空间原型，1表示地面模型。

等离子体射流雷诺数相似：

υ采用等离子体诱导射流最大速度，L采用射流半高宽，即速度等于最大速度1/2点距离壁面的高度，采用这两个参数可以更加合理地反映等离子体诱导射流的动力学特性。

试验系统的示意图如图1(a)所示。将激励器安装到缩比螺旋桨桨叶上，利用三参数传感器(转矩、扭矩、转速)和轴向力传感器测量一定转速下开启等离子体激励器前后螺旋桨的转矩M、静推力T和功率W。计算螺旋桨的功率效率η=T/W，即单位功率产生的静推力。评估等离子体增效效率：(η2-η1)/η1。其中电动机用变频器控制，螺旋桨在恒定转速下工作。激励电源用HFHV30-1高频高压交流电源，输出电压±15kV，可以工作在连续模式，工作频率范围为1kHz～50kHz，调节步长为0.1kHz，以及脉冲式，其中爆发频率为10Hz～3000Hz，步长为10Hz，占空比为10%～90%。电压采用安捷伦N2771B高压探头测量，电流采用皮尔森电流线圈6595测量，电压、电流测量结果使用安捷伦DSO3024A示波器进行显示和记录。

如图1(b)所示，螺旋桨直径2 m，试验在恒定转速300 rpm下进行。试验使用的等离子体激励器共两种，区别在于暴露电极的形状，分别为宽度2 mm、厚度0.18mm铜箔制成的常规激励器和直径为0.18mm的铜丝。植入电极均为铜箔，宽度为10 mm。极间距均为0mm，电极间重合区域长度为40cm，端部与桨叶叶尖距5cm。电极均贴于螺旋桨桨叶的上表面。为了增加SDBD的作用效果，每片桨叶上面共三组激励器。第一组激励器距桨叶前沿5mm，之后每组激励器间的距离为2cm。根据文献[8]，电源工作在脉冲模式下SDBD得到的增效比连续模式下更高。因此本次试验电源的激励参数仅选取脉冲式激励。电源参数为占空比10%，激励频率分别为10Hz、20Hz、30Hz，峰值为6kV，电压频率为10kHz。

图1 螺旋桨试验

2 试验结果

得到的试验结果展示如图2。试验中还得到转矩，但是增效主要是指推力增加，功率减小，因此将转矩略去不予展示和分析。从图2中可以看到无论是常规激励器还是细丝激励器都产生不同程度的增效。对于常规激励器，功率在三种激励频率下都有所减小，减阻效果得到证实。推力在10Hz和30Hz的情况下有所提升，但在50Hz情况下有所下降。随着脉冲频率的增加，等离子体产生量处于增加状态，这说明在常规激励器条件下，存在一个最优激励频率，使得等离子体增效效果最好。该频率的范围可以通过进一步细化试验参数得到。细丝激励器则在10Hz到30Hz整个频率范围内推力均有所提升，功率都有所减小。这初步说明新型细丝激励器与常规激励器相比效果更好。

图2 试验测试结果

3 两种激励器比较

从推力来看，细丝激励器与常规激励器相比小了很多，但这并不能充分表示常规激励器比细丝激励器增升减阻效果好。因为在无控的状态下带有常规激励器的螺旋桨比带有细丝激励器的螺旋桨推力大得多。这是试验误差造成的结果，因为和常规激励器相比，细丝不容易附在螺旋桨上。因此在对细丝激励器加工时，用上了强力双面胶，使得螺旋桨与空气间的黏性大大增加，从而造成功率增加，推力减小。所以，要比较常规激励器和细丝激励器的增效效果，应该纵向比较以排除试验误差，即如图3所示，比较两者的增效效率。按照增效效率的定义，不加电时没有增效。从图中看出，两者在无控时，增效效率均为0。在其它几个电源参数下，细丝激励器等离子体增效效果均比常规矩形的好，两种激励器在脉冲频率为10Hz下效率相差大于1个百分点。单独看各自的增效效率，细丝激励器随着脉冲频率增加，增效效率有所降低，说明在低脉冲频率下其效果最好。而常规激励器增效效果随脉冲频率增加，变化较小。

图3 增效效率

4 结 论

从试验的结果上看出，SDBD对螺旋桨产生了明显的增效，新型细丝激励器效果比常规矩形激励器效果要好。两种激励器在脉冲频率为10Hz下增效效率相差大于1个百分点，说明暴露电极形状的改变能对SDBD增效效果产生明显影响。

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Study on Plasma Actuators of Propeller Near Space through Experiments

JIANG Jiawen1, TIAN Xihui2, CHEN Qinya1, NIE Wansheng2

(1.Department of Postgraduate, the Academy of equipment, Beijing 101416, China;2.Department of Space Equipment, the Academy of equipment, Beijing 101416, China)

Based on analogy of Reynolds and plasma induced jet，it was used that utilizing reduced propeller to simulate propeller working near space. There were two kinds of actuators chose in the experiments (regular rectangular actuator and original filamentous actuator). Torque, static thrust and power were measured through experiments, and power efficiency, increment efficiency are calculated. Study showed that opening SDBD (surface dielectric barrier discharge) generated effect that lift increases and drag decreases obviously. Moreover, filamentous actuator acted better than rectangular actuator.

propeller; SDBD; shape of electrode; near space

2015-07-06

国家自然科学基金(11205244)； 高分专项青年创新基金(GFZX04060103-5)。

姜家文(1991-)，男，四川遂宁人，硕士研究生，主要研究方向为等离子体流动控制。

1673-1220(2015)03-011-03

V211.44

A