等離子體技術助燃航空事業(yè)

文/劉榮 李會會

等離子體技術助燃航空事業(yè)

文/劉榮 李會會

等離子體在航空動力上，可以有效地提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，且能極大改善航空發(fā)動機壓氣機增壓比升高后的工作穩(wěn)定性；而在飛機氣動力上，等離子體可以減少飛機阻力，增加升力，提高戰(zhàn)機的失速攻角和機動性。

何立明(右一)在俄羅斯作校際訪問

何立明，空軍工程大學教授，博士生導師，全國優(yōu)秀教師，中國航空學會燃燒與傳熱傳質專業(yè)委員會委員，國家精品課程負責人，軍隊院校育才獎金獎獲得者；先后擔任《航空學報》等10余家刊物審稿專家，是空軍工程大學航空宇航推進理論與工程學科學術帶頭人；1990年開始從事燃燒室新型室壁結構及冷卻技術方面的研究，對席壁冷卻結構的冷卻機理、冷卻性能進行了理論計算與分析及實驗研究，在此研究的基礎上，提出了燃燒室新型迷宮復合冷卻結構新構想；1994年開始從事脈沖爆震發(fā)動機關鍵技術方面的研究；1997年開始從事電站鍋爐高效低污燃燒研究；先后主持、參與“973”、國家自然科學基金、國家“863”計劃、軍隊科研等10余項科研項目，獲軍隊(部級)科技進步二、三等獎6項，發(fā)表學術論文90余篇，編著出版教材5部。

2011年5月12日，我國首個等離子體動力學國家級實驗室在空軍工程大學掛牌成立。說到等離子體與航空的關系，流傳最廣的就是所謂的“俄羅斯戰(zhàn)機使用等離子體隱身”這一說法，除此之外，即使是熱愛軍事的朋友，對這方面的了解也比較有限，等離子體距離我們的生活實在是太遙遠了。究竟什么是等離子體，除了“戰(zhàn)機隱身”，它在航空航天領域又有哪些應用呢？

據(jù)空軍工程大學何立明教授介紹，等離子體是一種非固態(tài)、非液態(tài)、非氣態(tài)物質，而是屬于電離狀態(tài)的物質第四態(tài)，在宏觀上呈電中性，其運動主要受電磁力的支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。目前，在航空領域的等離子體研究主要集中在隱身和空氣動力兩個方面。

記者了解到，曾有報道稱，等離子體在航空動力上，可以有效地提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，且能極大改善航空發(fā)動機壓氣機增壓比升高后的工作穩(wěn)定性；而在飛機氣動力上，等離子體可以減少飛機阻力，增加升力，提高戰(zhàn)機的失速攻角和機動性。例如在航空發(fā)動機上，風扇、壓氣機是航空渦扇發(fā)動機的核心部件，提高發(fā)動機的推重比，增加壓氣機的增壓比是有效方法之一，隨之帶來的問題則是壓氣機出口面積急劇縮小、效率嚴重降低，而通過在壓氣機的特定位置上布置等離子體激勵裝置，則會有效改善壓氣機內(nèi)氣體的流動效果，降低分離損失。

美國、前蘇聯(lián)等軍事強國上世紀60年代便開始了等離子體研究，近年來，俄羅斯在等離子體技術研究上屢獲突破性進展，遙遙領先于其他國家。但在同時期，我國此方面的研究幾乎為零。隨著現(xiàn)代和未來新技術戰(zhàn)機對飛機總體性能的要求不斷提高，等離子體技術的不斷發(fā)展和它在航空領域中所表現(xiàn)出的不可比擬的諸多優(yōu)勢，使其成為各國技術攻關的核心焦點，吸引了大批科研人員的目光，何立明也在其中。

2002年以來，何立明帶領團隊，在國內(nèi)開始了發(fā)動機尾噴口等離子體紅外隱身技術以及備受關注的等離子體強化燃燒技術研究，為推動我國航空航天事業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。

何立明在俄羅斯考察

過去：起步晚 待突破

據(jù)了解，等離子體強化燃燒技術包括等離子體點火和助燃技術兩方面。早在20世紀70年代，等離子點火技術就引起了各國專家的廣泛關注，但由于當時的技術條件限制，其研究僅限于工業(yè)燃燒方面?！敖陙恚S著燃燒動力學和其他高科技的發(fā)展，等離子體點火與助燃技術逐漸受到航空航天動力界的重視?！焙瘟⒚髡f，“等離子體點火的高溫、射流和化學效應以及等離子體助燃所產(chǎn)生的化學、溫升和氣動效應能顯著提高火焰的傳播速度、強化在燃燒室內(nèi)的燃燒過程，對提高航空發(fā)動機在惡劣條件下(空中再次起動)的起動可靠性，提高燃燒性能，增強燃燒的穩(wěn)定性和減少對大氣環(huán)境的污染具有重要作用和意義?！?/p>

記者了解到，2005年，美國將等離子體動力學列為美國空軍未來幾十年內(nèi)保持技術領先地位的六大基礎領域之一，同時美國空軍推進系統(tǒng)研究實驗室還將等離子體助燃列為未來先進發(fā)動機技術之一，而俄羅斯也開展了大量實驗室原理實驗。有報道稱，俄羅斯和美國等航空發(fā)達國家已經(jīng)研制出等離子體點火器，并在航空發(fā)動機上進行了高空點火試驗。

何立明表示，國內(nèi)等離子體點火與助燃方面的研究工作始于20世紀80年代，主要集中在燃煤設備(電站鍋爐)的啟動和助燃應用。一些高校、科研院所和鍋爐制造廠等相繼投入大量人力和財力，研究開發(fā)燃煤鍋爐等離子點火和穩(wěn)燃技術，并進行了數(shù)值模擬以及一些原理性的實驗研究。自2007年起，空軍工程大學才在國家自然科學基金及其他相關項目的資助下，結合重點實驗室建設，開始探索等離子體點火與助燃的機理，建立了實驗系統(tǒng)并進行相關實驗研究。

何立明說：“我國等離子體點火與助燃研究起步比其他國家晚，技術基礎也比較薄弱，特別是等離子體點火與助燃技術在航空發(fā)動機燃燒室中應用的關鍵技術還有待進一步突破?？梢灶A見的是，如果突破了這個關鍵技術，將會為解決制約航空裝備發(fā)展的瓶頸問題提供重要的基礎支持，并能從根本上提升我國航空等離子體研究的創(chuàng)新能力?！?/p>

現(xiàn)在：縮短差距

等離子體點火具有等離子體射流核心溫度高等技術優(yōu)勢，點火能量大、火舌穿透力強，可顯著提高點火可靠性，縮短點火延遲時間，特別是有可能取消加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器，進而顯著縮短加力燃燒室的長度，提高發(fā)動機推重比。但目前我國在等離子體強化燃燒技術研究方面，仍然面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。比如，如何使燃燒室的工作范圍足夠大，在高溫、低溫或者高空小表速情況下也能可靠點火、穩(wěn)定燃燒；如何在縮短激勵燃燒長度的同時，能保證可靠點火、穩(wěn)定燃燒，還能保證等離子體點火驅動電源和助燃激勵電源的小型、輕型化和工作的可靠性等等，這些都是當下需要著重考慮的問題。

據(jù)悉，我國《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》已經(jīng)將磁流體和等離子體動力學列為“面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎研究”中的“航空航天重大力學問題?！薄爱攧罩笔且訌妼Φ入x子體技術的研究，努力縮短與發(fā)達國家之間的差距，并學習國外的先進技術，盡快實現(xiàn)等離子體技術在我國航空航天領域中的應用?！焙瘟⒚髡f，“航空等離子體動力學國家級實驗室的成立，很好地證明了國家對等離子體技術在航空領域應用研究的重視，科研人員應好好把握此次機會，推動我國等離子體技術在航空領域的快速發(fā)展?！?/p>

作為等離子體強化燃燒技術研究課題組組長，何立明帶領團隊在國家的資助下，開展了一系列研究：如進行了在燃燒室中產(chǎn)生等離子體的條件、機理、方法的理論分析、參數(shù)控制及實驗測試方法的研究，等離子體助燃效果計算、等離子體點火與助燃過程的數(shù)值仿真和影響因素分析，建立并完善了等離子體點火與助燃實驗系統(tǒng)，設計了原理性實驗的等離子體點火器，進行了點火特性實驗，為等離子體強化燃燒研究奠定了初步基礎。

不僅如此，何立明課題組還設計了原理性實驗的等離子體助燃激勵器，并進行了激勵特性，激勵器幾何參數(shù)、激勵參數(shù)優(yōu)化，助燃特性實驗和助燃效果分析，獲取了一批重要的一手資料。在理論分析的基礎上，課題組建立了等離子體點火與助燃條件下的燃燒室三維流場數(shù)值計算模型，計算、分析了等離子體點火與助燃的機理和參數(shù)變化對等離子體點火與助燃的影響規(guī)律。為開展基礎性實驗研究，研制出了用于航空發(fā)動機燃燒室的驗證性等離子體點火驅動電源、點火器和助燃激勵器，為進行航空發(fā)動機燃燒室實驗件的地面和高空模擬驗證實驗奠定了技術基礎。

近年來，何立明課題組以等離子體動力學、燃燒學和飛機推進系統(tǒng)原理為理論基礎，圍繞提高航空發(fā)動機動力裝置燃燒室的點火可靠性，擴大穩(wěn)定燃燒范圍，開展等離子體強化燃燒技術研究，極大地推動了國家重點學科“航空宇航推進理論與工程”的建設和發(fā)展。2005年，以課題組成果為重要支撐的“建設特色鮮明學科專業(yè)培養(yǎng)新型軍事航空工程人才”教學成果榮獲國家教學成果二等獎；2006年，《航空燃氣渦輪發(fā)動機原理》網(wǎng)絡課程獲全軍優(yōu)秀網(wǎng)絡課程一等獎；2007年，《飛機推進系統(tǒng)原理》課程教材獲得國防工業(yè)出版社“優(yōu)秀圖書”二等獎，2008年，此課程被評為國家精品課程。

何立明(右四)在歐洲考察

“我們所取得的這些成果和獎勵都有力地說明，經(jīng)過一批科研人員的共同努力和近幾年的大力建設和發(fā)展，我國等離子體技術的研究隊伍和平臺已初步建立。而國家級實驗室的成立，更是推進我國在航空動力發(fā)展領域實現(xiàn)理論和技術創(chuàng)新的重要舉措，也為國內(nèi)相關領域發(fā)展學術研究和交流活動提供了共享平臺。接下來我們要做的是開展更為深入的研究，突破目前仍然存在的瓶頸，拓寬我國等離子體技術在航空領域的發(fā)展局面?！焙瘟⒚鞅硎?。

未來：爭做后起之秀

一直以來，美國、俄羅斯等技術發(fā)達國家對航空等離子體動力學與技術研究十分重視，在這方面的投入也是大手筆，目前他們已經(jīng)取得了一批具有重大影響和作用的成果。在國外，激光沖擊強化、強流脈沖離子注等技術已經(jīng)在工業(yè)上得以應用，且產(chǎn)生了巨大的軍事、經(jīng)濟效益。不僅如此，這些國家的等離子體點火、低速等離子體流動控制技術已經(jīng)完成試飛。而國內(nèi)只有激光沖擊強化實現(xiàn)實際應用，等離子體點火實現(xiàn)地面應用，其他技術只進行到原理研究或實驗室驗證階段。

何立明說：“目前看來，我國與發(fā)達國家之間確實存在不小差距，但要想成為后起之秀也不是不可能，這需要有上至國家，下至科研院所、高校的支持和共同努力。去年等離子體動力學國家級重點實驗室在空軍工程大學掛牌成立，足以顯示我國已經(jīng)進入航空動力、飛行器氣動力研究的前沿領域。未來，我國應大力發(fā)展航空等離子體動力學與技術研究，從而為航空裝備研制和維修提供重要的技術支撐。”

我們相信，隨著我國在等離子體動力學研究上的不斷深入，中國在研制大推重比先進航空發(fā)動機的技術積累方面，將會更為深厚，從而也會為先進戰(zhàn)機、航天飛行器等裝備的發(fā)展奠定堅實基礎。