久久88香港三级台湾三级中文-久久91-久久91精品国产91久-久久91精品国产91久久-久久91精品国产91久久户

臨界空間高超音速飛行器是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，該技術(shù)領(lǐng)域兩大難題為附面層轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的預(yù)測(cè)及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道/隔離段的流場(chǎng)測(cè)試，即高溫環(huán)境下的高頻動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。例如，飛行馬赫數(shù)為10時(shí)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段的最大滯止溫度將大于1700℃；高超聲速附面層轉(zhuǎn)捩過程則會(huì)出現(xiàn)150~400kHz的壓力脈動(dòng)。

現(xiàn)有廣泛應(yīng)用的動(dòng)態(tài)壓力傳感器，主要包括可用頻率響應(yīng)范圍為Hz~105Hz的壓阻式、壓電式、電容式等類型，以及由此發(fā)展起來的多孔動(dòng)態(tài)壓力探針式，但通常不適用于高溫環(huán)境的測(cè)量（通常低于120℃）。在犧牲動(dòng)態(tài)頻響和尺寸的前提下，J.F.Brouckaert在溫度高達(dá)900 ℃、氣壓環(huán)境為5atm(1atm=101.325kPa)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了測(cè)試，M. Mersinligil等在溫度超過1600 ℃、4atm的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了測(cè)試，但最高可用頻響均不超過100kHz，且尺寸較大（6~8mm）。

其他可用于高溫環(huán)境測(cè)試的壓阻式壓力傳感器，如Kulite公司帶有水冷卻結(jié)構(gòu)的EWCTV—312型號(hào)，具有耐高溫壓力敏感元件的藍(lán)寶石法-珀腔光纖式、SiC法-珀腔光纖式高溫壓力傳感器等，適用環(huán)境溫度雖然能夠達(dá)到1000℃，尺寸仍然偏大，均無(wú)法滿足附面層轉(zhuǎn)捩區(qū)及進(jìn)氣道/隔離段高溫環(huán)境下的高頻壓力脈動(dòng)測(cè)試需求。由此可見，基于傳統(tǒng)的測(cè)壓原理已經(jīng)很難同時(shí)突破溫度和頻響的瓶頸，亟需尋求新的原理實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境高頻動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)試需求。

利用等離子體技術(shù)開發(fā)的動(dòng)態(tài)壓力傳感器為這種高溫環(huán)境下的高頻壓力測(cè)試提供了可能性，這種測(cè)量技術(shù)理論上不受熱慣性和質(zhì)量慣性的限制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率由激勵(lì)頻率決定，可達(dá)MHz水平。

等離子體在氣動(dòng)熱力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，一種是基于“等離子體氣動(dòng)激勵(lì)”的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，在抑制氣流邊界層分離和改善氣動(dòng)阻力方面具有良好的應(yīng)用前景。另一種則是利用等離子體進(jìn)行氣動(dòng)測(cè)量，最早是由加州理工學(xué)院的馮?卡門教授團(tuán)隊(duì)提出來的，該團(tuán)隊(duì)圍繞開發(fā)研制高頻響等離子體風(fēng)速計(jì)，進(jìn)行了一系列的研究。

在前人探索的基礎(chǔ)上，近年來美國(guó)圣母大學(xué)的E. Matlis和T. Corke 團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在等離子體風(fēng)速計(jì)的研制與應(yīng)用方面進(jìn)行了拓展，國(guó)內(nèi)空軍工程大學(xué)張?jiān)努|等研究了射頻等離子體輝光放電特性與穩(wěn)態(tài)風(fēng)速之間的關(guān)系。

在利用等離子體原理開發(fā)壓力傳感器方面，2008年圣母大學(xué)團(tuán)隊(duì)將一個(gè)熱電偶改裝成等離子體壓力傳感器，并將其嵌在一臺(tái)跨音壓氣機(jī)的機(jī)匣壁面，用來感受壁面壓力擾動(dòng)。同年圣母大學(xué)航空系的C.E.Marshall 博士設(shè)計(jì)了一種等離子體壓力傳感器，并在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（火焰溫度為2760℃）上進(jìn)行了激波測(cè)試，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果意味著等離子體壓力傳感器在高焓、高速流動(dòng)中具有非常大的應(yīng)用潛力。

然而，輝光放電等離子體電壓-氣壓關(guān)聯(lián)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然不夠完善，從發(fā)表的文獻(xiàn)來看所研究的壓力范圍都是低于1atm或大氣壓環(huán)境下研究的，抑或是稀有氣體放電，并不能滿足實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境要求，即放電介質(zhì)為空氣且通常高于1atm的應(yīng)用環(huán)境，并且等離子體壓力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仍是研究空白。

本項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)前期針對(duì)輝光放電等離子體對(duì)低氣壓范圍（0.5～1.0atm）變化的響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，并通過伏安特性曲線和放電圖片確定了傳感器工作在輝光放電狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)證明了利用輝光放電等離子體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)氣壓測(cè)量的可行性。因此，本項(xiàng)目在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展輝光放電等離子體在高氣壓環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)研究，并針對(duì)這種壓力傳感器開展了穩(wěn)態(tài)標(biāo)定和激波管動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

科研人員首先介紹了激勵(lì)等離子體的高壓電源及電子電路，以及穩(wěn)態(tài)標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)裝置；其次在高壓氣罐中對(duì)三種不同間隙的等離子體壓力傳感器進(jìn)行了寬氣壓范圍（0.4~5.0atm）穩(wěn)態(tài)標(biāo)定，設(shè)計(jì)一種等離子體壓力傳感器，在激波管實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以期為這種新型的等離子體壓力傳感器在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合提供理論支撐及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

圖1 等離子體壓力傳感器結(jié)構(gòu)及實(shí)物

科研人員最后得到的具體結(jié)論如下：

1）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下，保持外電路電流3mA不變，輝光放電的維持電壓首先隨著電極間隙的增大而逐漸減小，經(jīng)過50μm時(shí)的電壓最小值之后，再隨著電極間隙的增大而逐漸增大，且基本呈線性關(guān)系。

2）穩(wěn)態(tài)結(jié)果表明：50μm間隙適用于氣壓量程0.4~2.0atm，等離子體維持電壓隨著氣壓升高而減小，具有較為良好的單調(diào)遞減趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的電壓變化為44V，靈敏度為0.275V/kPa。

電流選取在3~5mA之間，220μm間隙適用于氣壓量程0.5~5.0atm，等離子體維持電壓隨著氣壓升高而增大，呈良好的單調(diào)遞增趨勢(shì)。電流選定為3mA時(shí)，氣壓從0.5atm升高到3.4atm，對(duì)應(yīng)的電壓變化為86V，靈敏度為0.297V/kPa；電流選定為4mA時(shí)，氣壓從0.6atm升高到5.0atm，對(duì)應(yīng)的電壓變化為90V，靈敏度為0.205V/kPa；電流選定為5mA時(shí)，氣壓從0.8atm升高到3.9atm，對(duì)應(yīng)的電壓變化為70V，靈敏度為0.226V/kPa。

3）激波管標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體壓力傳感器與Endevco壓阻式傳感器均可以測(cè)試到激波的壓力上升過程，且二者對(duì)階躍壓力的響應(yīng)上升時(shí)間均為1μs。通過計(jì)算動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)可得，該等離子體壓力傳感器及其電源、電子電路系統(tǒng)的固有頻率為146.6kHz，Endevco壓阻式傳感器的固有頻率為279.24kHz。雖然目前等離子體壓力傳感器和成熟的壓阻式傳感器相對(duì)比在頻響上還有一定差距，但后期可通過改進(jìn)高壓電源和電子電路的響應(yīng)特性來獲取更高的頻響。

下一步將主要針對(duì)等離子體壓力傳感器所適用的應(yīng)用環(huán)境展開研究：研究大氣壓高溫環(huán)境、高氣壓高溫環(huán)境對(duì)等離子體放電和對(duì)氣壓響應(yīng)規(guī)律的影響，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)苛高溫環(huán)境及超高速流動(dòng)中的高頻壓力脈動(dòng)信息的獲取提供技術(shù)保障。

以上研究成果發(fā)表在2021年第15期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于直流輝光放電等離子體的氣體壓力傳感器”，作者為李帆、羅海云 等。