基于等离子体虚拟舵面的高超声速主动增强控制方法研究

This application form focuses on the manipulating issue about the plasma-assisted hypersonic flight. A strategy called plasma virtual rudder is put forward based on the control of plasma flow. The hypersonic dynamics and plasma electromagnetic dynamics will be cross researched. We find the coupled solution to the fluid mechanics equation and electromagnetic field maxwell equation using MagnetoHydroDynamics(MHD)theory. We establish the dynamics of plasma flow and analyze its behavior rule. For the control of plasma flow,the lorentz force,the numerical calculation and aerodynamics experiment verification are described. The mechanism of action of plasma actuators and the character of plasma-aerodynamic forces and moments are introduced. As a result the plasma virtual rudders for the active control purpose are characterized based on the layout and the response of plasma actuators using Dielectric Barrier Discharge(DBD).One significance of these plasma virtual rudders is the enhanced attitude control authority assisting the traditional mechanical flaps, where the larger control envelop and more practicable parameters may be achieved. The form of plasma virtual rudders allow more suitability for lang-time flight in complex hypersonic environment, which might have significant value in the off-design hypersonic control tasks.

本项目针对基于等离子体流动的高超声速飞行器操控问题，提出了一种由飞行器表面等离子体可控流动形成等效"虚拟舵面"的姿态主动控制方法；在高超声速动力学控制领域与等离子体电磁学领域开展交叉研究。项目首先基于磁流体力学原理，对流体力学方程、电磁场麦克斯韦方程进行耦合求解，建立等离子体流动的动力学模型，研究其动态演变的动力学行为规律。其次基于洛仑兹力效应，诱导等离子体流动；采用数值计算和气动实验校核相结合的方法，完成等离子体激励器作用机理和相关气动力、力矩特性的分析。最后通过介质阻挡放电的方式，研究等离子体流动受控激励的响应模式和在飞行器机体上的布局方式，形成具有主动控制效能的等离子体"虚拟舵面"；辅助常规控制面增强高超声速飞行器的姿态控制性能，扩大飞行器可用的控制包线和参数范围。项目研究成果对于高超声速飞行器在长航时、复杂飞行环境及非设计理想条件下的操控技术具有重要的基础科学价值和应用价值。

项目按照申请书和计划书的要求，完成了规定的各项研究任务。根据申请书的研究内容，本项目在具体的实施中首先完成了高超声速飞行器的等离子体流动动力学建模工作，作为本项目的基础性研究内容。在求解流体方程Navier-Stokes方程的过程中，求解等离子体的运动方程引入了电磁场的麦克斯韦方程以及磁场和流场的相互作用项。其次完成了等离子体激励器的的典型响应模式分析，对空气中的表面介质阻挡放电（DBD）等离子激励器进行了模拟仿真，并加入了体积力密度模型，以此来分析表面介质阻挡放电对空气流动的控制作用。本项目研究了受激励控制的等离子体将电磁场的能量转化为边界层气体分子的动量或热量、提高飞行器可用的姿态角控制性能。重点对不同攻角和侧滑角下的控制特性进行了分析，从而改善高速飞行器的气动性能。本项目设计了等离子体激励器的布局方案，磁控诱导等离子流场产生作用力，实现类似虚拟舵面的控制能力。项目通过数值计算得到等离子流动的作用力数据，然后通过气动实验对计算得到的数据进行校核，以得到高置信度的参数数据。项目整体上完成了的从建模到数据仿真再到气动实验的研究工作，取得了预期的研究成果。仿真和实验结果表明了本项目研究结论的正确性，为新一代的超高速、高超声速及空天飞行器的等离子体主动控制技术提供了理论和应用基础，提炼出了有理论和工程应用价值的研究结论。