等离子体的新用途

常毅

从等离子体的性质说起

等离子体是继物质的固态、液态、气态之后的第四种物质形态。它是由大量带电粒子组成的非约束宏观体系，内部包含自由电子、自由离子和中性粒子，在自然界中广泛存在。例如，将气体加热，当其原子达到几千甚至上万摄氏度时，电子就会被原子被"甩"掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，气体就会电离成为等离子体。人们经常能看到的闪电、霓虹灯，还有南北两极绚丽的极光，都是形成等离子体的气体造成的效应。军事上的高空核爆炸、放射性核素的射线、强激光照射、高压气体放电、高速飞行器的激波在地球上空80～400千米的区域等都能够形成等离子体。

人们通常利用形成等离子体放出的大量能量以及产生的高温，切割金属、制造半导体元件、进行特殊的化学反应等。而在航空工业中，等离子体也有着广泛的用途，其中最为一般人所熟悉的，是应用于飞行器的雷达隐身。与常规的几何隐身、吸波材料隐身相比，等离子体隐身具有吸波频带宽、效率高、使用简便、价格便宜等优点，同时在使用过程中特征参数可变，可针对特定的雷达威胁进行优化；另外，等离子体隐身对飞机外形没有特殊的要求，无需改变飞机的气动外形设计，不影响飞行器的飞行性能，还可以把没有隐身性能的现有飞机改装成隐身飞机，由于没有吸波材料涂层，还能降低维护费用。

但是，等离子体在飞行器上的应用，远不止“隐身”这一个用途可以简单概括，事实上，科研工作者们早就开始了进一步的研究工作。

“紫电”无人机

在2013年9月25日的北京航展上，中航工业杯第二届国际无人飞行器创新大奖赛举行了闭幕式暨颁奖仪式，其中，南京航空航天大学“紫电”团队凭借“紫电”等离子体无人飞行器摘获创意赛大奖，这也是本届大奖赛的唯一一个大奖。“紫电”无人机与众不同的特点，在于其机翼上布置了等离子体激励器，通过控制激励器放电产生等离子体，然后改变机翼表面的流动状况，从而实现飞行器的姿态控制。对于“紫电”的名称来源，带队的南航航空宇航学院史志伟教授有着生动的描述：“一方面，飞行器在工作时会发出紫色的光，像两道紫色的闪电；另一方面，‘紫电这个名字，来源于王勃的《滕王阁序》‘紫电青霜，王将军之武库……一句，我们希望自己的作品也像‘紫电宝剑一样一出剑鞘就展露锋芒。”

等离子体气动控制

“紫电”无人机是一架等离子无人飞行器。常规的飞行器，都是由飞机副翼的上下偏转来控制飞机的飞行姿态。而采用等离子体来控制飞行器的飞行姿态，这种实践在国内外都是具有重要创新意义的。

在常规飞行器的机翼上加装等离子体激励器，可以利用等离子体所产生的射流作用，来提高飞机的升力。科研队员们利用这样的原理，在“紫电”无人机左右机翼上安装等离子体激励器，当右边机翼的激励器开启时，右边升力增加，飞机就会向左边倾斜，同样，左机翼开启时，飞机就会向右倾斜，从而就可以依靠等离子体来实现飞行器的滚转姿态的控制。

等离子体为何能实现姿态控制呢？这要从机翼的原理说起。空气流过机翼时，在机翼下方流速较小，压力较大；在机翼上方流速较大，压力较小，从而产生向上的升力；另外，在机翼后缘，由于气流分离形成涡流区，当机翼后缘不是固定的，而是活动的舵面时，随着舵面的转动，涡流区的形状、阻力都会发生显著变化，与直接作用在舵面上的气动力共同形成操纵力。

当前的研究结果显示，当在机翼后缘涡流区设置等离子体激励器之后，产生的等离子体气动激励可以有效的抑制涡流区的气流分离，从而起到减阻、增升的作用，能显著提高翼型的升力系数，并增加机翼的临界仰角（气流发生分离的仰角）。如果只在机翼的一个表面安装等离子体激励器（如“紫电”无人机的方案），通过两侧机翼升力的不平衡，就能产生横滚力矩；如果采用正交布置的十字形（或者X形）翼面，就能起到常规舵面的操纵效果。

等离子体姿态控制具有体积小、无运动部件、重量轻、功耗低、作用频带宽、可靠性高、响应快，不使用时对流场影响较小等优点。遗憾的是，等离子体气动控制的真正作用机理至今为止还没有完全探究透彻，各国科学家基于不同的研究方向对其有着不同的理解和表述，但获得比较多认可的解释，是认为等离子体向气流中补充了一定的能量，从而诱使气流分离延迟，进而产生了气动控制的效果。

目前存在的问题

目前，等离子体气动控制仍处于初步的研究、试验阶段，仍有许多工程应用上的问题亟待解决。例如，由于在适当范围内产生、维持一定电子密度的等离子体需要消耗较多的能源，使得等离子体控制可以使用的面积受到限制；高压激励器需要维持数万伏的高电压，难以保证较长的使用寿命，放电区域的材料也会因为等离子体侵蚀而发生损伤，甚至造成结构破坏；用电弧放电的方法产生等离子体的同时，会产生强烈的射频辐射、闪光和紫外线，等离子体复合也会产生光辐射，这些自激信号不仅不利于飞行器的隐身，而且也可能使飞行员受到伤害；飞行器在较低高度飞行时，由于高度低、空气密度大，相对速度大，等离子体形成的密度不够，等离子体流动控制的效率会下降；产生等离子体需要分子、原子作为电离对象，在真空中飞行的卫星和战略导弹等飞行器难以利用等离子体控制技术。

未来展望

虽然等离子体气动控制目前还存在着诸多问题，但由于其优势明显，特别是无需附加舵面、高速响应的特性，对于在空气中巡航的飞行器是梦寐以求的优点。根据目前等离子体控制研究的现状，推测未来等离子体控制的实际应用有两个主要方向。其一是小型无人机，由于其巡航速度低、相对速度不大，有利于等离子体的保持，而需要的控制力也不大，能够简化飞控系统、减少活动舵面的等离子体控制可谓是不二之选。其二是高超声速巡航导弹，由于高超声速导弹需要远远超过一般有翼导弹响应速度的舵机，才能保证在极短的时间内修正飞行姿态，等离子体恰好可以满足这个需求，另外，以高超声速巡航的导弹也有利于等离子体的产生和保持，虽然相对速度大，但仍有可能维持足够的等离子体气动控制能力。随着等离子体研究的进一步推进，使用这种新技术的实用飞行器可能很快就能展现在我们的眼前。

责任编辑：王鑫邦endprint