单脉冲等离子体合成射流对飞行器控制特性研究

摘 要：等离子体合成射流（PSJ）激励器通过电弧放电产生的高速射流可以有效提升飞行器的控制效率和精度，克服传统飞行控制技术存在的响应时间长、脱靶量大和效率低等问题。本文基于唯象模型，对PSJ激励器的单脉冲射流性能进行研究。研究发现，增大沉积能量可以有效提升射流的流动性能，使射流的峰值速度、持续时间和冲量明显提升。飞行高度的升高会对射流的流动性能产生消极影响，当飞行高度由0提升至20km时，射流的峰值速度减小约20%，但是射流持续时间基本不变。飞行速度的增大会降低射流的峰值速度，但延长了射流的持续时间，使单脉冲射流产生的冲量显著提高。PSJ控制下的飞行器偏转速率均高于传统气动表面，虽然飞行高度的升高导致其在20km处所达到的偏转速率仅为0处的4%，但是对应的有效性参数高达12.66。本文的研究成果对实现飞行器的高效姿态控制有一定的参考意义。

关键词：飞行器； 姿态控制； 等离子体合成射流； 飞行高度； 偏转速率

中图分类号：V237 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.004

飞行控制技术存在的响应时间长、脱靶量大和效率低等问题已成为高超声速飞行器发展中亟待解决的关键问题[1-4]。等离子体合成射流（PSJ）激励器作为一种新型的主动流动控制装置，不仅具有结构简单、尺寸小、响应时间短等优势，还优化了传统合成射流技术在高海拔地区效率低的问题，产生的高速射流对流场具有很强的控制能力，可以有效地提升高超声速飞行器的控制效率和精度[5]。中国临近空间飞行器技术发展论证报告、美国国家航空航天局（NASA）的多个重点项目均强调了发展主动流动控制技术对于改善高超声速飞行器飞行控制问题的重要性[6]。

PSJ 激励器作为一种主动流动控制技术，于2003 年由Grossman 等[7]首次提出后，逐渐在高速流动控制[8-10]和边界层控制[7， 11-12]领域展现了良好的工程应用前景。在研究方法方面，由于PSJ 的持续时间短、参数变化剧烈，很难通过试验方法准确测量，因此数值模拟研究逐渐成为探究PSJ性能的主要方法，其中唯象模型在当前研究中得到了广泛的应用[13]。Zheng Borui 等[14]采用唯象模型探究了PSJ 激励器在高频放电下的性能衰减规律，Anderson 等[15]也通过该方法评估了静态环境下PSJ 的流动性能。相比之下，虽然等离子体反应模型可以对激励器的放电过程进行描述，但是计算成本高，模拟过程也十分复杂，在PSJ 相关研究中仍处于起步阶段[16-18]。在性能优化方面，激励器的环境适应性和腔内气体的补充效率等问题受到了广泛关注。为了优化射流性能衰减的问题，Haack[19]和罗振兵等[20]在传统2 电极结构的基础上，开展了新型3 电极PSJ 激励器的研究，通过降低击穿电压的方式，显著提高了射流的速度。李晋峰等[21]提出了一种结合压电振子的PSJ 激励器结构，提高了腔内气体的补充效率。近年来，单向阀执行机构[22]、低射流孔倾角[23]、拉瓦尔型射流孔[24]等结构优化形式也相继提出，但是这些方法对射流性能的提升效果十分有限，仍需继续探究新的性能提高方式。

偏转速率是评价飞行器姿态控制技术的重要性能指标，PSJ 流动性能的改变会对其姿态控制效果产生直接影响，如何选择最优的系统参数，提升飞行器的偏转速率是PSJ 激励器的重要研究方向。在当前研究中，尚未有综合考虑环境特性和飞行条件对PSJ 流动性能影响的相关报道，因此本文将基于能量沉积假设和唯象模型，针对圆柱形结构的PSJ 激励器进行研究，详细分析沉积能量、飞行速度和飞行高度对PSJ 流动性能的影响，并对PSJ 的飞行器姿态控制性能进行评价。