[發明專利]基于等離子體的高超聲速風洞

有效

• 申請號: 202011016587.7
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112067237B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 白冰;丁亮;韓瀟;張磊;趙華;李濤;彭毓川;詹海洋;張燚;吳達
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01M9/04
• 分類號: G01M9/04
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理有限公司 11435
• 代理人: 成丹

本發明提供了一種基于等離子體的高超聲速風洞，用以解決現有技術中風洞無法兼具高馬赫數和長工作時間的問題。所述高超聲速風洞，包括依次連接的等離子體束源、中性化室、中性化氣體流道、試驗段、擴壓器、真空艙、真空泵組，還包括設置在等離子體束源、中性化室之間的粒子回旋共振加速器；通過中性化室結合等離子束源及粒子回旋共振加速器獲得試驗用定向的中性氣體束流，利用風洞流道改變中性氣體束流的基本參數，符合風洞試驗需求，試驗后的中性氣體通過擴壓器減速增壓，流入真空艙進行工質收集。本發明獲得用于風洞試驗的馬赫數大于10的高超聲速氣流，有效工作時間大于1min，且對環境無污染。

技術領域

本發明屬于等離子體風洞領域，具體涉及一種基于等離子體的高超聲速風洞。

背景技術

高超聲速風洞指風洞試驗段氣流馬赫數在5以上的風洞，在航空航天領域至關重要。傳統的高超聲速風洞，主要有暫沖式風洞、激波管風洞、燃燒風洞、電弧風洞等。其中，暫沖式風洞利用高壓氣體通過拉伐爾噴管形成高速氣流，由于工作原理的限制，暫沖式風洞的工作時間極短。激波管風洞是利用兩級激波管形成高壓氣體，再通過拉法爾噴管加速至高超聲速，激波管風洞可以達到更高的風速，但是工作時間短，一般工作時間為幾毫秒到幾十毫秒之間。燃燒風洞或電弧風洞在激波管風洞的基礎上演化而成，利用燃燒或者電弧增加激波管內氣體的內能，這些風洞的工作時間稍長，但也很難達到100毫秒；同時，燃燒風洞的組分存在污染問題，電弧風洞存在馬赫數小的問題，嚴重制約了地面試驗的有效性。

發明內容

鑒于現有技術中的上述缺陷或不足，本發明旨在提供一種基于等離子體的高超聲速風洞，利用粒子回旋共振對層流等離子體束源的等離子體進行加速，再利用高速等離子體及中性化室得到高速的中性化氣體，從而獲得高超聲速風洞，所述風洞具有高馬赫數，同時兼具長工作時間，且對環境無污染。

為了實現上述目的，本發明實施例采用如下技術方案：

本發明實施例提供了一種基于等離子體的高超聲速風洞，所述高超聲速風洞，包括依次連接的等離子體束源1、中性化室3、中性氣體流道4、試驗段5、擴壓器6、真空艙7、真空泵組8；其中，

所述等離子體束源1用于提供等離子體束流；

所述中性化室3內具有定向中性氣體束流及定向磁場，用于使等離子體束流定向移動并與中性氣體束流進行能量交換，獲得試驗用定向中性氣體束流；

所述中性氣體流道4連通所述中性化室3和試驗段5，用于為所述試驗用定向中性氣體束流提供運輸通道；

所述試驗段5為風洞洞體部分，用于為高超聲速氣動試驗提供氣動實驗場所；

所述擴壓器6連通所述試驗段5和真空艙7，用于使試驗后的中性氣體束流減速增壓；

所述真空艙7用于回收工質；

所述真空泵組8用于對真空艙7抽真空，為所述高超聲速風洞提供低壓環境。

上述方案中，所述高超聲速風洞在等離子體束源1后、中性化室3前還包括粒子回旋共振加速器2。

上述方案中，所述等離子體束流在進入粒子回旋共振加速器前的速度為1.5～2.5km/s；經過粒子回旋共振加速器加速后，等離子體速度為3～7km/s。

上述方案中，所述粒子回旋共振加速器2包括射頻線圈21和平行磁場22；等離子體束流進入粒子回旋共振加速器，利用射頻線圈21供電產生粒子回旋共振加速，加速后的等離子體中電子和離子在平行磁場22中沿著磁場運動，保持帶電粒子的磁矩守恒。

上述方案中，等離子體束源1和粒子回旋共振加速器2構成二級粒子加速器；所述粒子回旋共振加速器2可以為一級或多級，完成對等離子束流的加速過程。

上述方案中，所述等離子體束源1為層流等離子體束源，提供層流等離子體束流。