激波控制

在超聲速、高超聲速飛行器的研製和使用過程中，均不可避免地會遇到由激波引起的各類問題，包括激波/激波干擾、激波/邊界層干擾、進氣道低馬赫數溢流等，這些可能導致推進系統工作效率下降、工作包線變窄，並使得飛行器氣動阻力增加、局部出現高熱流乃至燒蝕現象等。為此，有必要採取措施對激波進行控制。由於激波是一類具有強擾動特徵的氣動現象，其特性僅僅由來流馬赫數和物面轉折角度決定，使得對其的控制具有較大難度。

在流場中局部地、集中地加入能量，可使得當地及下游流體的熱力學狀態參數或物性參數等發生變化，合理利用這些變化能夠實現對激波的控制。目前，基於該原理的激波控制方法主要包括:壁面熱鼓包控制、近壁電漿放電控制、流場內部能量沉積控制。

基本介紹

• 中文名：激波控制
• 外文名：Shock control 
• 學科：航空航天
• 類型：飛行術語
• 原因：高超聲速飛行器激波引起很多問題
• 激波：一類具有強擾動特徵的氣動現象

背景

在超聲速、高超聲速飛行器的研製和使用過程中，均不可避免地會遇到由激波引起的各類問題，包括激波/激波干擾、激波/邊界層干擾、進氣道低馬赫數溢流等，這些可能導致推進系統工作效率下降、工作包線變窄，並使得飛行器氣動阻力增加、局部出現高熱流乃至燒蝕現象等。為此，有必要採取措施對激波進行控制。由於激波是一類具有強擾動特徵的氣動現象，其特性僅僅由來流馬赫數和物面轉折角度決定，使得對其的控制具有較大難度。

變幾何調節是目前研究較多的一類激波控制方法，其通過改變物面的幾何位置、傾角等來實現對激波的控制。然而，由於變幾何調節方法需要採用可轉動或可平移的機械裝置，不僅會使結構複雜、質量加大，還存在封嚴、熱防護等問題。為此，各國學者一直在探索各種幾何固定的激波控制方法，以在不改變飛行器幾何外形的前提下來對激波進行控制，避免變幾何控制方法的不足。

進氣道激波控制需求分析

超聲速、高超聲速的激波系只能在設計點達到理想的封口狀態，而在實際工作的大部分工況下，其往往處於非設計狀態:當飛行馬赫數高於設計馬赫數時，激波角較小，前體激波系會提前交匯並形成一道強激波，入射在進氣道內部，使得總壓損失增加，並可能誘導邊界層分離，甚至引起進氣道不起動;當飛行馬赫數低於設計馬赫數時，激波角增大，使得進氣道的捕獲流量減少，溢流量和溢流阻力增加。為此，從進氣道工作性能和工作穩定性的角度出發，需要對前體激波系進行有效控制，且所需的控制幅度較大，往往達到了進氣道內通道進口高度的1/3。

另一方面，由於進氣道唇罩前緣處於前體激波系、唇罩脫體激波等形成的多激波干擾區，在不同的馬赫數、攻角狀態下其附近可能出現六種激波/激波干擾現象，其中三種會導致局部熱流密度過大，容易燒蝕唇口。為此，從進氣道唇罩前緣的熱防護角度出發，也需要對前體激波系進行有效控制，不過其所需的控制幅度較小，一般為進氣道唇罩前緣厚度的2~3倍。

基於局部能量添加的激波控制

在流場中局部地、集中地加入能量，可使得當地及下游流體的熱力學狀態參數或物性參數等發生變化，合理利用這些變化能夠實現對激波的控制。目前，基於該原理的激波控制方法主要包括:壁面熱鼓包控制、近壁電漿放電控制、流場內部能量沉積控制。

壁面熱鼓包控制方法

該控制方法通過在壁面設定大功率的熱源來對邊界層氣流進行集中加熱，使得當地氣流的溫度迅速升高、體積迅速膨脹、密度迅速降低，故近壁區間的流通能力隨之下降，從而使邊界層氣流向外偏折，實現對激波的偏轉控制。由於該方法利用加熱效應在邊界層內產生了一個類似於鼓包的氣動邊界，因此被稱為“熱鼓包”技術(如圖)。實際上，局部加熱還會對下游邊界層的發展特性帶來影響，特別是邊界層位移厚度的增長規律。

熱鼓包的概念最早由當時在美國懷特州立大學工作的顏紅教授和美國空軍實驗室的Gaitonde共同提出，其研究的焦點是脈衝式釋熱效應對層流邊界層的擾動特性。後來，同樣是在美國空軍實驗室的支持下，英國、印度的兩個課題組開始嘗試利用其來進行激波控制，並且均開展了風洞試驗研究。

近壁電漿放電控制方法

基於電漿氣動激勵的流動控制技術是當前流動控制領域的研究熱點，其控制目標包括誘導旋渦、推遲轉挨和控制流動分離等多個方面，美國、俄羅斯、法國、英國、日本、荷蘭以及我國均在此方面開展了大量的研究工作。這裡，僅涉及基於近壁電漿放電的斜激波特性控制。一般認為，電漿氣動激勵的實現涉及到三種物理依據:一是“動力效應”，即電漿在電磁力作用下的加速效應;二是“衝擊效應”，即氣體電離時局部溫升和壓升產生的衝擊擾動效應;三是“物性改變”，即電漿對氣流粘性、熱傳導特性等的改變效應。在超聲速、高超聲速氣流的激波控制中，近期的研究表明是局部加熱效應起到了主導作用。

最早明確提出將電漿氣動激勵技術用於超聲速、高超聲速進氣道激波控制的，是俄羅斯聯合高溫研究所的Leonov。如圖所示，在超聲速進氣道第一級壓縮面的末端嵌入電漿激勵裝置，可對其第二級激波的位置、傾角進行控制。

流場內部能量沉積控制

除了在近壁區間注入能量外，還可直接在主流中加入能量來實現激波控制，特別是對進氣道唇口上游附近激波的控制。其基本原理是:通過雷射聚焦照射等方式在進氣道唇口進行集中加熱，使當地流線發生偏轉、更多流體流入進氣道，從而提高進氣道的流量捕獲能力。由於這實際上起到了將進氣道唇口向前延伸的作用，為此又常常稱之為“虛擬唇口法”。

基於局部質量添加的激波控制

近壁能量注入方法對激波的控制是通過氣體升溫膨脹而導致的局部流線偏轉實現的，而局部質量添加的控制原理則更為直接:通過壁面連續注入二次流體對主流的氣動邊界進行偏轉，從而實現激波控制。

基於此原理，南京航空航天大學的譚慧俊等提出並驗證了一種小流量、低驅動壓比的分散式二次流注入控制技術，可以實現對激波形狀的控制。如圖所示，其基本工作原理是:從壁面以一定的規律注入小流量二次流，由於這部分流體占據了流動空間並帶來了一定的總壓損失，使得近壁區主流的流通能力不斷地減弱，於是邊界層被迫連續向外偏轉，形成了特定的、可以設計的主流氣動邊界，從而推動主流激波向外偏轉。

基於直接力控制的激波控制

顧名思義，該方法通過直接對流體質點施加外力來改變其運動方向，從而實現對激波的控制。基於磁流體動力學(Magnet}hydr}dynamic, MHD)的激波控制方法便是其典型代表，其實施方案為:首先，利用特定方法(如微波照射)在來流中形成帶電粒子;而後，利用可變磁場對帶電粒子施加可控的洛倫茲力，從而改變氣流運動方向、實現激波控制。