等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状

于锦禄 王思博 黄丹青 蒋陆昀 程行远 何立明

摘要：等离子体点火技术是航空航天动力领域研究前沿。本文概括了等离子体点火研究背景和基本原理，总结了国内外等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状，指出脉冲爆震发动机中利用等离子体点火具有诸多优势，如点火能量大、能有效缩短点火延迟时间、提高DDT特性等。在此基础上，本文分析了应用于脉冲爆震发动机的等离子体点火驱动电源、等离子体点火器以及两种典型等离子体点火方案。最后针对等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状，对其发展方向进行了展望。

关键词：等离子体点火;脉冲爆震发动机;放电特性;等离子体电源;点火方案

中图分类号：TG156 文献标识码：A

等离子体是由带电的正离子、负离子、自由基和各种活性基团组成的集合体，属于物质的第四态。等离子体中存在的带电粒子，与电场和磁场相互耦合，因此，等离子体与固体、液体或气体有本质的区别[1，2]。在航空领域中等离子体除了具有隐身、增强气流流动稳定性的作用外，还可在燃烧室中点火助燃。等离子体可以通过其热效应、输运效应以及动力学效应来加速燃烧室内的化学反应，在不同的介质、温度、压力等条件下起主要作用的促进效应不同[3，4]。利用等离子体进行点火，已经引起了世界各国研究人员极大的兴趣。

脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，PDE）是一种利用脉冲式爆震波生成的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机[5]。脉冲爆震发动机具有结构简单、重量轻、高推重比、高燃烧效率等优点[6]。针对爆震波的快速可靠起爆、尺寸的缩短和频率的提高等决定脉冲爆震发动机发展的关键问题，近年来研究表明利用等离子体点火能够有效地起爆脉冲爆震发动机，同时可以明显地缩短爆燃到爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT）的距离和时间，并具有更高的起爆成功率[7，8]。将等离子体点火技术应用于脉冲爆震发动机中，对提高脉冲爆震发动机多项性能指标有较大作用。

为准确把握国内外等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的研究进展，引起更多国内外学者对该技术的关注，加快推进等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用，本文对该技术目前的应用研究现状进行研究分析。

1 等离子体点火的基本原理

等离子体点火是利用放电形成局部高温区域，并激发大量的活性粒子，实现快速地点燃可燃混合气或者是强化燃烧的进程[9]，常见的等离子体点火有等离子体射流点火、电晕等离子体点火、瞬态等离子体点火等。等离子体点火的机理主要表现为三种效应：热效应、化学效应和气動效应[10，11]。热效应是指放电击穿放电介质，加热放电介质使其温度迅速上升。化学效应是指等离子体放电过程中，电子与空气/燃料分子发生碰撞，大分子碳氢燃料被电离成活化能很小的带电活性粒子，空气中的氧气和氮气分子被电离成氧化性更强的活性粒子，从而加速化学连锁反应。气动效应是指等离子体放电的过程会对流场产生扰动，一方面增强燃烧室内气流湍流脉动度，利于等离子体流和燃烧室气流掺混;另一方面有利于等离子体在混合气中的定向迁移，从而扩大了火焰焰锋面积，显著增大火焰传播速度，增强燃烧稳定性。等离子体点火相较于传统电火花点火，其优点为：

（1）点火区域大。如图1所示[12]，传统的电火花点火通常为点对点的点火方式，而等离子体点火的点火区域可以是一个面，甚至是一个三维空间。大量的点火流注可以实现多点同时点火，能够有效地增强等离子体点火的可靠性。

（2）点火延迟时间短。等离子体点火比电火花点火的点火能量大，可以迅速提高点火区域周围的可燃混合气温度，使可燃混合气快速达到燃烧反应条件，缩短点火延迟时间。

（3）点火能量利用率高。传统电火花点火只有少部分电能转化为点火能量，大量的电能被用来发光和加热电极，而等离子体点火所消耗的电能大都用于点火，从而提高了点火能量利用率。

（4）可燃混合气转化为活化粒子进行燃烧反应，极大地减少中间产物的生成，使燃烧反应更加完全，提高了燃料利用率，并大大减少有害物质的排放。

（5）点火能量可以更好地与可燃混合气耦合。点火区域的大分子碳氢燃料被电离成活化能小的活性粒子，使可燃混合气的化学反应速率更快、反应时间更短，同时达到点火的效果。

2 脉冲爆震发动机中的等离子体点火技术

理论研究表明脉冲爆震发动机有诸多的优点，经过国内外研究人员多年的研究，已经取得了巨大的成就。但截至目前，仍有许多技术难点问题制约着脉冲爆震发动机的工程应用。如爆震波的快速可靠起爆、尺寸的缩短和爆震频率的提高、高爆震频率下阀门的快速响应、快速填充及掺混、各系统之间的匹配、系统的可靠性等。

2.1 等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的研究现状

等离子体点火要应用于脉冲爆震发动机，需要适应爆震发动机的工作特点，即点火也应该是脉冲式的。常用的等离子体射流点火（火炬点火），因其响应速度较慢不适合直接用于脉冲爆震发动机的点火。因此，脉冲爆震发动机中使用的等离子体点火器，一般为相应较快的脉冲式点火器。

针对直管型脉冲爆震发动机的DDT距离和时间长的问题，从2003年开始，俄罗斯Starikovskii[13，14]在对等离子体点火和脉冲爆震发动机深入分析的基础上，提出利用等离子体点火技术起爆脉冲爆震发动机，以解决制约脉冲爆震发动机应用的各种问题，如爆震发动机的点火延迟时间、爆震室的长度、起爆成功率等问题。

2004年，美国南加州大学的Wang[15]和美国海军研究生院的Sinibaldi等也开展了相应的研究工作，他们使用的点火方式为纳秒脉冲放电点火，称之为瞬态等离子体点火（Transient Plasma Ignition，TPI）。研究表明，瞬态等离子体点火可以大幅地缩短DDT的距离和时间，而且起爆成功率也有所提高。初步的试验表明，在初始温度280～430K、压力101.33～607.95kPa范围内，点火延迟时间和DDT的转换时间都显著降低。

美国空军实验室的John Hoke和J.Corrigan[16]等在四管脉冲爆震发动机上研究了瞬态等离子体点火，其中一个爆震管使用火花塞点火，另外三个管采用瞬态等离子体点火，电源采用的是30kV的直流电源。

美国俄亥俄大学的Andrew Naples[17]等对比研究了分别使用汽车火花塞点火器和等离子体点火器，分别在以航空汽油、乙烯和氢气为燃料时，起爆脉冲爆震发动机。研究结果表明，利用等离子体点火器点火，大约缩短了50%的DDT距离和30%的时间，同时C-J爆震波的速度也有所提高。

2012年，普林斯顿大学的Andrey Starikovskiy[18]综述了等离子体点火在脉冲爆震发动机起爆方面的研究成果。首先分析了等离子体强化点火的基本机理，从点火的角度分析了等离子体放电过程中的能量转化;然后就等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的控制应用进行了讨论。文章最后指出，等离子体点火技术在高速燃烧、贫油燃烧控制和爆震发动机等领域都会具有很好的应用前景。

2009-2014年，南京理工大学翁春生[19，20]课题组通过数值仿真的方法，研究了等离子体射流对脉冲爆震发动机快速起爆的影响。

2013年开始，北京大学郑殿峰[21]课题组与北京动力机械研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室的张义宁等合作，创新性地利用交流低温介质阻挡放电等离子体成功进行了脉冲爆震发动机点火，由于之前的研究结果往往认为介质阻挡放电等离子体的温度较低，可用于助燃，但不利于点火。他们成功地设计了一种等离子体电源，并且成功触发了以气态乙炔/空气的爆震，结果表明采用交流驱动低温等离子体点火触发爆震是可行的。2016北京大学郑殿峰[22]课题组设计了双管试验系统，并比较了非热平衡态等离子体和火花塞在空气/乙炔混合物中点火的试验特性。试验结果表明，与电火花塞点火相比，采用等离子体点火使DDT时间缩短了一半，大幅度提高了火焰和爆震波的形成和传播速度，提高了爆震波的性能。

表1为多个实验室通过对比等离子体点火和电火花点火两种不同点火方式，以及对比不同频率、不同脉宽的等离子体点火器在脉冲爆震发动机中点火试验得出的结果。从表中可以看出，与电火花点火相比，利用等离子体点火明显缩短了点火延迟时间，提高了DDT特性。利用等离子体点火器在相同试验条件下点火时，脉宽的大小对点火延迟时间影响不大，但是相比于脉宽较大的点火器，所需要的点火能量较小，部分点火装置所需能量小于电火花点火能量。

2.2 不同放电方式的等离子体点火器

在脉冲爆震发动机研究领域，大多数研究者研究工作是建立在普通电火花点火起爆的基础上，而应用等离子体点火的情况不多。下面是几种不同的等离子体点火方式，分别是电晕放电等离子体点火器、电弧放电等离子体点火器和介质阻挡放电等离子体点火器。

（1）电晕等离子体点火器

电晕等离子体点火是利用高压纳秒脉冲电源，直接击穿在阴阳极之间混合气的点火形式，又被称为纳秒脉冲等离子体点火。电晕等离子体点火结构与直接击穿混合气的等离子体点火形式相类似，只是由于外部的电源形式不同，纳秒脉冲电源的放电时间极短，击穿的流注没有来得及形成电弧，形成的是电晕放电。美国海军研究生院与南加州大学研制的电晕放电点火的照片如图2所示[27]。

为了减小点火器的体积，南加州大学的Daniel R.Singleton[28]等设计了小型的瞬态等离子体点火器，并在美国海军研究生院的爆震发动机试验台上进行了试验研究。其结构如图3所示，其中左上图为12ns的瞬态等离子体点火器，左下图为85ns的瞬态等离子体点火器，右图为12ns的瞬态等離子体点火器。

为降低瞬态等离子体点火器对电源的要求，本文提出了一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器。研制的环形阳极等离子体点火器和其产生的电晕放电照片如图5所示[29]。环形阳极等离子体点火器由环形阳极、阴极和绝缘套等组成。环形阳极内部为空心，空心的内部通道可以流通混合气，外部为螺纹表面。该结构的等离子体点火器应用于脉冲爆震发动机点火，可直接把爆震管当作阴极使用[30]。

当使用基于电晕放电的等离子体点火器时，中心阳极连接高压电源，可以将爆震管作为阴极接地。通电时，在中心阳极与阴极之间产生大量的流注放电，形成局部高温区域，并激发大量的活性粒子，实现快速的点燃可燃混合气。纳秒脉冲等离子体点火能克服传统电火花放电的许多不足，其优点为：点火区域大、时间极短，点火能量可以更好地与气体混合物耦合，点火区域的大分子碳氢燃料被电离成活化能小的活性粒子，使混合气的化学反应速率更快，反应时间短，点火成功率高[31]。

（2）电弧放电等离子体点火器

本文根据等离子体气体放电的基本理论，在充分借鉴国外最新研究成果的基础上，结合项目组前期的研究基础，设计了两种用于脉冲爆震发动机的等离子体点火器：碟形等离子体点火器和圆柱等离子体点火器。

碟形等离子体点火器[32]的特点是阳极为碟形，碟形阳极边缘为尖端，更有利于放电。外壳体为阴极并接地。碟形等离子体点火器具有与普通火花塞点火器相同的螺纹接口，同时也可以安装在内燃机上进行点火试验。

圆柱等离子体点火器的特点是阳极为中心的圆柱，阳极前端为螺纹表面，螺纹表面更有利于产生尖端放电。外壳体为阴极并接地。

设计的两种等离子体点火器的放电效果照片如图6所示。从图中可以看出，等离子体点火器在放电过程中会出现大量的放电电弧流注，与火花塞相比这种电弧属于拉长的电弧。从图中可以看出，大量的放电流注使得点火能量与混合气充分耦合，在点火流注与混合气的耦合过程中，会把大分子的混合气电离成更容易进行化学反应的小分子或者带电离子，因此，可在较大范围内快速点着可燃混合气。

（3）介质阻挡放电等离子体点火器

北京大学郑殿峰等[21]研制的基于介质阻挡放电等离子体点火器如图7所示。点火器采用同轴结构，电极间采用陶瓷阻挡介质，放电间隙为4mm，高压电极安装在爆震管头部中心处，低压电极与爆震管连接。低压电极内表面光滑，目的是产生均匀的流注放电。

2.3 等离子体点火驱动电源

不同的等离子体点火器和点火方式，需要搭配不同的点火电源。现有用于脉冲爆震发动机点火研究的电源可以归结为三类，分别是纳秒脉冲等离子体电源、基于电弧放电等离子体点火器的等离子体电源、基于介质阻挡放电点火的低温等离子体电源。

（1）纳秒脉冲等离子体电源

纳秒脉冲等离子体点火的关键是要有纳秒脉冲电源，目前制造相关电源成本较高，且主要停留在试验阶段。2005年，美国南加州大学的Wang Fei等[33]研究了基于伪火花开关的脉冲等离子体电源，该技术的电源能够制造出体积更小的等离子体电源。与美国海军研究生院和空军实验室的合作研究表明，使用该电源的等离子体点火器能够大幅提高脉冲爆震发动机的DDT性能。

2009年，美国海军研究生院的Sinibaldi，Brophy等[28]研制出了尺寸小巧的等离子体电源，新型小型化的等离子体电源能够产生脉冲峰值60kV、脉宽12ns的高压脉冲，更适合在航空器上安装，电源如图8所示。新型的脉宽12ns电源与之前的脉宽85ns等离子体电源在脉冲爆震发动机上进行了对比试验研究，获得了点火延迟时间。结果表明，除了混合气在很小当量比条件下，脉宽 12ns电源的点火延迟时间较长之外，在其他混合气当量比条件下，脉宽12ns电源的点火延迟时间与脉宽85ns电源的点火延迟时间相差不大。但是脉宽12ns电源的能量消耗为80mJ，而脉宽85ns电源的能量消耗为800mJ，脉宽12ns电源消耗的能量明显减少。

2011年，美国南加州大学的Singleton[34]等研究了紧凑的等离子体电源，在定容反应器中对比了电源的点火特性。研究结果表明，对于两种不同的等离子体电源：脉宽54ns伪火花开关式和脉宽12ns磁压缩式，与传统的电火花相比较，在很宽广的混合气当量比条件下等离子体点火缩短了1/2的点火延迟时间。而脉宽54ns伪火花开关式电源消耗的能量为365mJ，脉宽12ns磁压缩式电源消耗的能量为75mJ。

目前公开的文献中用于脉冲爆震发动机的等离子体点火电源的峰值电压和脉宽见表1。

（2）基于电弧放电等离子体点火器的等离子体电源

作者曾在空气流量为0.0115kg/s、供油量为7.6L/h，当量比为1.95、进气压力为101.33kPa条件下，采用毫秒脉冲等离子体电源，使用碟形和圆柱等离子体点火器成功起爆爆震发动机，在点火频率不变情况下，随着空流量的增大，爆震波峰值和点火起爆时间都会增大;随着当量比不断增大，爆震波峰值压力也逐渐降低，点火起爆时间也会相应缩短。毫秒脈冲等离子体电源CTP-2000K由南京苏曼公司设计生产，如图9所示。该电源为单高压等离子体电源，输出电压为0～30kV，输出电压的脉冲频率为10～1000Hz，占空比手动可调节，电源功率为1000W。

（3）基于介质阻挡放电点火的低温等离子体电源

北京大学郑殿峰[22]利用交流介质阻挡放电低温等离子体起爆爆震，低温等离子体电源交流电中心频率为30kHz，输出电压为0～40kV，通过同步控制器，实现等离子体电源的单次放电时间为0.2ms，0.3ms，0.4ms和0.5ms，频率为0.1～100Hz。当低温等离子体点火器单次放电时间为0.5ms时[35]，单次放电能量为0.2mJ左右。低温等离子体电源和控制器如图10所示。

纳秒脉冲等离子体电源点火范围大、能量利用率高，用于脉冲爆震发动机能有效地提高其多项性能。从现有的试验结果中可以看出，利用纳秒脉冲等离子体电源来点火，其脉宽越小，点火消耗能量越少，但是其对点火延迟时间影响较小。但是现有的纳秒脉冲等离子体电源，体积较大，生产制造成本较高，工程应用还有较大难度。因此，小脉宽、小型化、低成本的纳秒脉冲等离子体电源将是未来纳秒脉冲等离子体电源的发展方向。此外，在目前脉冲爆震发动机技术不够成熟的条件下，毫秒级别的等离子体电源成本较低，是试验研究阶段较好的选择。

2.4 等离子体点火的典型实施方案

根据直管形脉冲爆震发动机的结构特点，其点火的实施位置一般在封闭端或爆震室的前端。

（1）封闭端点火实施方案

根据脉冲爆震发动机的工作原理，点火的一端为封闭端，这样有利于形成完整的爆震循环，同时形成较强的反射波，增大发动机的推力。

美国海军研究生院的研究方案中点火器位于封闭端，如图11所示[20]。空气和燃料分别从上下两侧的通入PDE管道来进行燃烧。高速动态压力传感器被安装在TPI系统中，用于测量不同位置的燃烧段的压力上升，并确定点火延迟时间。

美国空军实验室的瞬态等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的布置方案如图12所示[18]，采用的是封闭端点火方式。该点火器位于PDE管的顶部封闭端，且位于圆形管道的中心位置。1为爆震管底部，2为绝缘材料，3为金属点击，4为放电点火范围。

北京大学也采用了封闭端的点火方式，如图13所示[21]。点火器为同轴结构，电极间采用陶瓷阻挡介质，放电间隙为4mm，高压电极安装在爆震管头部中心处，低压电极与爆震管连接。低压电极内表面光滑，目的是产生均匀的流注放电。低温等离子体点火器安装在爆震管1头部，爆震管1出口用膜片密封。先开启真空泵，将系统抽至一定的真空，填充气体燃料分压力份额，再填充剩余空气。开启循环泵，使混气均匀。关闭相应的阀门，在触发低温等离子体电源同时，采集系统采集数据。

作者设计的碟形等离子体点火器和圆柱等离子体点火器，采用的是在爆震室的前端点火方案，如图14所示[29]。试验系统主要由气路、油路、爆震燃烧室、点火器、电源和测试系统等组成。从示意图中可以看出，环形等离子体点火器安装在爆震管的内部，与爆震管是同心安装，一方面作为点火器，另一方面可以作为爆震管的封闭端。碟形/圆柱等离子体点火器和火花塞点火器安装在爆震管的侧面，碟形/圆柱等离子体点火器和火花塞点火器具有相同接口，试验时可以相互进行更换。

（2）双瞬态等离子体点火方案

美国海军研究生院还采用了双瞬态等离子体点火的方案。该方案使用第二个电极来辅助点火，第二个电极位于爆震室中部靠前的位置，如图15所示[36]。此点火方案的关键在于把握好第二个TPI电极点火源的触发时间，需要在第一个电极的适当时间延迟触发，从而缩短DDT时间。

3 结束语

本文介绍了等离子体点火的基本原理，提炼了等离子体点火的优点。介绍了国内外利用等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的研究成果，总结了等离子体点火方式和对应的等离子体点火电源。根据等离子体的放电点火原理，将等离子体点火器分为三类：电晕等离子体点火器、电弧放电等离子体点火器和介质阻挡放电等离子体点火器。分析结果表明，相比于普通电火花点火，等离子体点火对提高脉冲爆震发动机起爆性能（如缩短点火延迟时间、缩短DDT时间和距离等）都具有明显的作用，这为将来提高脉冲爆震发动机的各项性能（如缩短脉冲爆震发动机的长度、提高脉冲爆震发动机的推力、工作频率和可靠性）奠定基础。针对等离子体点火技术及其在脉冲爆震发动机中应用的特点，作者认为，今后还需要在如下领域开展更加深入的研究工作。

（1）等离子体点火器工作机理研究

等离子体点火的优势已经得到了广泛认可，但是等离子体点火的详细机理还不是很清楚。例如，等离子体点火的过程中出现的活性粒子成分、不同活性粒子对应的不同反应路径、以及不同活性粒子对促进燃烧的贡献大小等都有待进一步研究。等离子体点火的三种效应已经得到公认，但是三种效应分别如何影响点火和燃烧过程，每种效应的贡献率尚不清楚。由于等离子体点火技术涉及高电压技术、流体力学、化学动力学、燃烧学等多个方向，本身具有较大的复杂性，因此需要加大对等离子体点火机理的研究，对于等离子体点火开展更为细致的基础性理论研究工作。

（2）等离子体点火在脉冲爆震发动机领域应用研究

脉冲爆震发动机使用的近似于定容循环具有较高的热循环效率，外加其结构简单、低成本，让脉冲爆震发动机在未来空天推进领域具有广阔的应用前景。但作为一种新型的动力形式，现有脉冲爆震发动机在爆震的起爆、控制、保持、系统匹配工作等方面，都存在一定的不足。利用等离子体点火方式起爆脉冲爆震发动机在研究阶段展现了良好性能，但仍处于试验探索阶段，想要工程应用还存在诸多问题。如能够应用于脉冲爆震发动机的实用化小型高性能的等离子体点火电源依然是这一领域的短板。因此，今后应该在等离子体点火驱动电源的小型化、轻型化上多下功夫，开展针对性的攻关。

（3）研究手段方法，应该注重试验与仿真结合

本文总结的国内外研究成果大部分通过试验得出，从公开文献来看，对于多物理场耦合的等离子体点火仿真研究较少。通过试验能够较为直观观察试验现象和试验结果，得到的数据较为真实。而数值仿真，在解释等离子体点火的物理、化学机理，影响因素和变化规律等方面，具有十分重要的意义。因此，在今后研究中，应该注意试验与仿真相结合。

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