電磁流體力學（MHD）技術在工程學領域的套用，過去主要是以地面大容量高效率發電為目標，最近以航空航天領域的套用為目標的研究越來越盛行。
現在，正常工作的大型MHD加速風洞只有俄羅斯的茹科夫斯基空氣流體動力學研究所(200kW ～300kW)的同軸電孤方式，外加磁場2.5T，駐點溫度3 700K左右，駐點壓力約0.3MPa，氣流速度約8km/s，美國的NASA認識到這種風洞的重要性，在馬歇爾空間飛行中心根據電磁流體力學增加推力試驗(MAPX)計畫正在積極建造MHD加速風洞。
基本介紹
- 中文名：電磁加速風洞
- 外文名：magnetohydrodynamic wind tunnel
- 一級學科：航空航天
- 二級學科：空氣動力學
- 風洞：飛行器研製中的不可缺少的部分
- 類型：飛行術語
簡介,風洞,氣體電離方式,基於電磁能量的磁流體加速風洞,
簡介
電磁流體力學（MHD）技術在工程學領域的套用，過去主要是以地面大容量高效率發電為目標，最近以航空航天領域的套用為目標的研究越來越盛行。
電漿MHD技術在航空航天領域的套用之一，是電漿工程學教科書中很早介紹的MHD加速器。其原理非常簡單，磁場B被外加到管道內從外部強制流入電流，利用勞倫茲力來加速氣流。作為模擬再入大氣層時的高焓高超聲速流的裝置，一般都採用電孤加熱型或感應耦合加熱型電漿風洞。在這些風洞中，用氣動噴管加速貯氣槽生成的高溫、高壓電漿，然後用MHD加速器進一步進行電磁力學加速，在不改變貯氣槽的熱、壓力條件下有可能提高試驗氣流的速度和熱焓。現在，正常工作的大型MHD加速風洞只有俄羅斯的茹科夫斯基空氣流體動力學研究所(ЦАГИ)(200kW ～300kW)的同軸電孤方式,外加磁場2.5T，駐點溫度3 700K左右，駐點壓力約0.3MPa，氣流速度約8km/s，美國的NASA認識到這種風洞的重要性，在馬歇爾空間飛行中心根據電磁流體力學增加推力試驗(MAPX)計畫正在積極建造MHD加速風洞。該裝置不僅作為MHD加速風洞，還將作為探討用MHD加速器對未來宇宙航行用大推力推進器研究的基礎試驗裝置。
風洞
世界上公認的第一個風洞是英國人韋納姆(E.Mariotte)於1869～1871年建成，並測量了物體與空氣相對運動時受到的阻力。它是一個兩端開口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，長3.05米。美國的O.萊特和W.萊特兄弟在他們成功地進行世界上第一次動力飛行之前，於1900年建造了一個風洞，截面40.6厘米×40.6厘米，長1.8米，氣流速度40～56.3千米/小時。1901年萊特兄弟又建造了風速12米/秒的風洞，為他們的飛機進行有關的實驗測試。
風洞是空氣動力學研究和試驗中最廣泛使用的工具。它的產生和發展是同航空航天科學的發展緊密相關的。風洞廣泛用於研究空氣動力學的基本規律，以驗證和發展有關理論，並直接為各種飛行器的研製服務，通過風洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能。現代飛行器的設計對風洞的依賴性很大。例如50年代美國B-52型轟炸機的研製，曾進行了約10000小時的風洞實驗，而80年代第一架太空梭的研製則進行了約100000小時的風洞實驗。
設計新的飛行器必須經過風洞實驗。風洞中的氣流需要有不同的流速和不同的密度，甚至不同的溫度，才能模擬各種飛行器的真實飛行狀態。風洞中的氣流速度一般用實驗氣流的馬赫數(M數)來衡量。風洞一般根據流速的範圍分類：M<0.3的風洞稱為低速風洞，這時氣流中的空氣密度幾乎無變化；在 0.3<M<0.8 範圍內的風洞稱為亞音速風洞，這時氣流的密度在流動中已有所變化； 0.8<M<1.2 範圍內的風洞稱為跨音速風洞；1.2<M<5範圍內的風洞稱為超音速風洞；M≥5的風洞稱為高超音速風洞。風洞也可按用途、結構型式、實驗時間等分類。
氣體電離方式
磁流體加速技術的套用，一個重要的前提條件是流體必須具有一定的電導率(產生一定的電漿)。對於空氣來說，當溫度小於2100K時，氣體幾乎不具有導電性，只有當溫度達到4000K以上時，才能達到可用的電導率。產生導電流體需要使氣體電離，電離主要有兩種方式:一是平衡電離（Equilibriumionization）；二是非平衡電離（Non-equilibrium ionization）。
上世紀70年代，俄羅斯中央空氣動力研究院採用平衡電離方法，通過向高溫試驗氣體中添加電離種子NaK(液態金屬)，成功研製了小型高超聲速磁流體加速風洞。由於採用平衡電離方式，需要向氣流中加入鹼金屬電離種子，試驗氣體的組分發生變化，只能用於部分模擬所需的高超聲速試驗條件，無法復現高超聲速飛行。近年來，隨著人工電離技術的進步，各種新的電漿產生方法正在發展之中，特別是非平衡電離技術的快速發展，如高壓場致電離、電子束電離、微波電離等，使得對低溫超聲速氣流進行非平衡電離成為可能。由於非平衡電離產生的電子、離子在很短時間內重新複合，與平衡電離方式相比，非平衡電離方式不改變空氣組分。
基於電磁能量的磁流體加速風洞
現有的高超聲速風洞，由於受加熱器加熱溫度限制，在長時間飛行復現方面總是存在不足，存在加熱溫度低（電加熱）、或試驗氣體組分發生改變（燃燒加熱）、或試驗時間短（激波風洞、活塞風洞和熱衝風洞等）的問題，均無法滿足溫度、壓力、速度和化學組分等試驗參數同時匹配。
為了復現高超聲速飛行氣流條件，李益文等提出一種基於電磁能量的磁流體加速風洞，針對氣體電離及能量注入等磁流體加速風洞的核心問題，開展了非平衡電離及能量注入初步實驗研究。結果表明採用電容耦合射頻放電電離方式能夠在超聲速氣流中產生非平衡電漿；通過在電漿兩端加直流偏置電壓，在磁場的作用下實現能量的有效注入。對電子離子複合、大尺寸問題、振動能量的釋放等問題進行了分析。
