一种实时可变阵型的大规模脉冲电弧等离子体激励器矩阵

本发明涉及主动流动控制领域，尤其涉及一种实时可变阵型的大规模脉冲电弧等离子体激励器矩阵。

背景技术：

1、在航空领域，超音速激波流动控制多采用脉冲表面电弧等离子体激励器。该激励器具有响应速度快和激励强度大的优势，能够在短时间内通过电弧加热向流场中注入大量热能，通过热阻塞效应改变原有的激波结构或者促进边界层内部的动量掺混，进而达到抑制流动分离和降低激波强度的目的。在结构上，该激励器由一对钨针电极(阳极+阴极)和一个绝缘基板组成。受现有高压脉冲电源输出电压的限制(10kv-20kv)，典型放电间距多为2-5mm。因此，在实际工程应用中，为实现高速飞行器全尺寸进气道(典型宽度：500mm)的流动控制，必须将几十、甚至几百个脉冲电弧等离子体激励器组成矩阵，实现更大范围的流场操控能力。一方面，电弧等离子体激励器数量规模的增加对供电电源和电路设计提出极大的挑战。根据公开文献报道，单电源能够实现的电弧等离子体激励器放电路数为31路(【1】zhang,z.-b.,wu,y.,jia,m.,song,h.-m.,sun,z.-z.,&li,y.-h.(2017).modeling andoptimization of the multichannel spark discharge.chinese physics b,26(6).doi:10.1088/1674-1056/26/6/065204)。另一方面，由于飞行器飞行状态多变，要求大规模电弧等离子体激励器矩阵的阵型能够根据来流状态进行实时的智能自适应调整，以期达到最佳流动控制效果。现有超音速激波控制研究中，电弧等离子体激励矩阵的电路连接方式多为“阳极-阴极-阳极-阴极”的首尾相接形式，所有激励器只能同时打开或者关闭，无法通过选择性的开闭实现阵型的实时快速调节(【2】zhang,z.,zhang,x.,wu,y.,jia,m.,jin,d.,sun,z.,&li,y.(2020).experimental research on the shock wave control based onone power supply driven plasma synthetic jet actuator array.actaastronautica,171,359-368.doi:10.1016/j.actaastro.2020.03.035.【3】tang,m.,wu,y.,guo,s.,sun,z.,&luo,z.(2020).effect of the streamwise pulsed arc dischargearray on shock wave/boundary layer interaction control.physics of fluids,32(7).doi:10.1063/5.0011040)。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出一种实时可变阵型的大规模脉冲电弧等离子体激励器矩阵，其基于一种脉冲表面电弧等离子体激励器，该激励器由绝缘基板、阳极和阴极组成；阳极和阴极外形为针状，从绝缘基板的背面垂直插入到正面；阳极和阴极的顶部与绝缘基板上表面平齐；阳极和阴极的顶部底部露出；对绝缘极板下面区域进行密封；阳极和阴极之间的电极间隙由外部供电电源的击穿电压以及环境气压决定；其特征在于，将单个所述电弧等离子体激励器沿着行和列两个方向上进行扩展，得到电弧等离子体激励器矩阵。

2、在本发明的一个实施例中，

3、脉冲表面电弧等离子体激励器阳极和阴极之间的电极间隙为0.5-5mm；绝缘基板板材厚度为3mm-20mm；

4、电弧等离子体激励器矩阵行和列的排布间距范围为5-30mm；

5、对矩阵的激励器进行编号，按照从左到右、自上至下的顺序依次编号为1，2,…,n。

6、在本发明的一个具体实施例中，

7、脉冲表面电弧等离子体激励器阳极和阴极之间的电极间隙为2mm；绝缘基板板材厚度为10mm；

8、电弧等离子体激励器矩阵行和列的排布间距范围为10mm；

9、电弧等离子体激励器矩阵的布局方式为方阵型、三角阵型或菱形阵型。

10、提供一种实时可变阵型的大规模脉冲电弧等离子体激励器矩阵的供电电路，其为上述实时可变阵型的大规模脉冲电弧等离子体激励器矩阵供电；其中，

11、用g1，g2，…，gn指代激励器1，2，…，n；每一个激励器均有自己独立的供电单元，每个供电单元结构均相同，各个激励器相互之间通过二极管dai进行隔离，i＝1,2,…,n，放电的通断由触发信号qi控制；

12、激励器g2的供电单元具体如下：电感器l、第二隔离二极管da2、第二电容放电二极管db2、第二激励器g2按常规连接方法依次串联在直流电源dc的输出端和地之间；第二储能电容c2跨接在第二隔离二极管da2和第二电容放电二极管db2之间的节点与地之间；第二开关管s2栅极输入触发信号q2，其漏极连接第二隔离二极管da2和第二电容放电二极管db2之间的节点，其源极连接第二变压器t2的初级线圈正极端；第二触发放电二极管dc2的负端接第二电容放电二极管db2和第二激励器g2之间的节点，其正端接第二变压器t2的次级线圈正极端；第二变压器t2的初级线圈负极端和次级线圈负极端接地。

13、在本发明的另一个实施例中，第二开关管s2为晶体三极管、金属氧化物半导体场效应管mosfet或者其他电力电子开关。

14、上述实时可变阵型的大规模脉冲电弧等离子体激励器矩阵的供电电路，具体工作原理如下：

15、(1)直流电源dc与电感器l、第一隔离二极管da1和第一储能电容c1构成倍压充电回路；倍压充电完成后，第一储能电容c1两端的电压为直流电源dc输出电压u0的两倍；为保证在充电过程中气体间隙不会自动击穿，直流电源dc的输出电压u0应小于第一激励器g1两端击穿电压ub的一半；直流电源的最大输出功率pmax由直流电源输出电压u0、激励器总数n、激励器最高工作频率fmax以及第一储能电容c1决定，具体计算公式如下：

16、pmax＝2nfmaxc1u02                         (1)

17、在充电过程中，电感器l起到限制充电电流和储存电能的作用；由于电源的最大输出电流imax＝pmax/u0，故电感器的最小电感值lmin通过求解倍压充电电路的二阶微分方程得到：

18、

19、当电感值过小，即l<lmin时，电路的充电电流将会超过直流电源的最大输出电流，引起直流电源dc输出过载；相反，当电感值过大时，会引起充电时间过长，影响激励器的最高放电工作频率；第一二极管da1耐受电压应高于两倍的直流电源dc输出电压，额定电流应大于直流电源dc的最大输出电流imax；第一储能电容c1的耐受电压应大于两倍的直流电源dc输出电压；

20、(2)第一储能电容c1、第一开关管s1和第一变压器t1构成脉冲升压回路；当第一触发信号q1为高电平时，第一开关管s1迅速打开，第一储能电容c1两端的电压迅速加载在第一脉冲变压器t1的初级线圈上；由于电磁感应，第一脉冲变压器t1的次级线圈上将产生一个高压脉冲，其幅值由第一脉冲变压器t1的匝比k决定；第一开关管s1开关时间能够达到o量级、耐压值超过两倍以上的储能电容电压；

21、(3)第一变压器t1、第一二极管dc1和第一激励器g1构成触发放电回路；第一脉冲变压器t1次级线圈产生的高压脉冲经过第一二极管dc1后施加在第一激励器g1上；当该电压超过气体间隙的击穿电压时，第一激励器g1的两个电极之间产生放电等离子体通道；由于次级线圈的输出电流很小，因此此时的电弧放电较为微弱，属于高压、小电流触发放电；触发放电形成后，第一开关管s1闭合；

22、(4)第一储能电容c1、第一二极管db1和第一激励器g1构成电容放电回路；在高压触发放电之前，由于第一储能电容c1两端的电压小于第一激励器g1的气体间隙击穿电压，该回路内没有电流通过；高压触发放电过程中，气体间隙被击穿，在阳极和阴极之间形成导电的等离子体通道；因此，第一储能电容c1内部储存的大量电能通过第一二极管db1迅速注入到阳极和阴极之间的气体间隙，形成强烈的电弧放电；当储能电容内部电能释放完毕后，放电通道熄灭，一个工作周期结束。

23、在本发明的又一个实施例中，

24、选择1kv以下的直流电源；

25、第二储能电容c2电容值范围为0.1uf-10uf；

26、为了能够击穿2-5mm的气体间隙，高压脉冲的幅值范围为10-30kv；第一脉冲变压器t1的匝比值为5-20。

27、在本发明的又一个具体实施例中，第二储能电容c2电容值为1uf；

28、为了能够击穿2-5mm的气体间隙，高压脉冲的幅值为20kv；第一脉冲变压器t1的匝比值为10。

29、本发明还提供一种利用移位寄存器实现激励器矩阵阵型的实时可变控制方法，其基于上述实时可变阵型的大规模脉冲电弧等离子体激励器矩阵，其中，

30、控制芯片能够提供三个数字信号的高速输出端口do1，do2，do3；

31、采用m个移位寄存器实现实时可变控制电路，其中寄存器个数m满足m≥n/8；每一个移位寄存器有若干位输出端口；寄存器还包含以下端口：信号输入端口ds(1)，供电端口vcc(10)，接地端口gnd(11)，清零端口clr(12)，时钟信号端口clk(13)；

32、采用多组寄存器首尾相接的形式，以保证所有寄存器输出位数的总和大于激励器矩阵所需要的触发信号通道总数；

33、对移位寄存器和控制芯片进行供电；电源负极与每一个移位寄存器模块的gnd端口相连；电源正极与每一个移位寄存器模块的vcc端口直接相连后，再通过一个非门与每一个移位寄存器模块的clr端口相连；控制芯片的do1端口输出时钟信号，该端口与每一个移位寄存器的时钟端口clk相连；控制芯片的do3端口为输出使能信号enb，该信号和每一个移位寄存器输出信号经过逻辑与运算后作为激励器放电回路的实际触发信号qi输出，i＝1,2,…,n；do2端口与移位寄存器1的信号输入端口ds相连，移位寄存器1的最高位输出信号q8与移位寄存器2的信号输入端口ds相连，以此类推，通过将前一个移位寄存器的最高位输出信号与后一个移位寄存器的信号输入端口ds相连，实现所有移位寄存器的串联连接。

34、在本发明的还一个实施例中，

35、可变阵型等离子体激励器矩阵的一个完整工作周期包含4个阶段：激励阵型设置阶段、高压触发放电阶段、电容放电阶段和电容充电阶段；具体如下：

36、(1)激励阵型设置阶段，0≤t<ta；

37、控制芯片将do1通道的enb使能信号设置为低电平，确保不会有任何放电触发指令qi从与门输出；do3通道发出一串时钟信号clk，do2通道将电弧等离子体激励器矩阵内每个激励器的放电与否信息以高低电平形式串行逆序输出至移位寄存器1的ds端口；由于移位寄存器的移位发生在时钟信号的上升沿，因此时钟信号上升沿的总数应等于所有移位寄存器位数的总和；当时钟信号clk结束后，移位寄存器即完成串行阵型输入至并行阵型输出的转换，每个输出端口的高低电平代表相应激励器的工作与否信息；

38、(2)高压触发阶段，ta≤t<tb；

39、控制芯片的do1通道将使能信号enb置为高电平；移位寄存器上存储的激励器矩阵触发信号经过与门，同时加载至开关管si的各个触发通道qi上，i＝1,2,…,n；当qi＝1时，相应的开关管si打开，激励器gi两端的电压ud迅速从电容电压上升至击穿电压，在气体间隙内形成高压触发放电通道；相反，若qi＝0时，激励器gi则处于静默状态；当放电触发完成后，控制芯片将enb使能信号设置为低电平，开关管si处于关闭状态，为下一步的电容充电做准备；

40、(3)电容放电阶段，tb≤t<tc；

41、对于已经发生触发放电的激励器gi，储能电容ci存储的电能快速注入至气体间隙内部，形成指定阵型的脉冲电弧等离子体放电；在此过程中，放电电流id先增大而后减小；当电容电能耗尽时，电弧熄灭，放电电流变为0；

42、(4)电容充电阶段，tc≤t<t0；

43、直流电源dc通过电感l和二极管dai，对储能电容ci进行充电；激励器两端的电压ud与电容电压保持一致，均从零开始逐渐增大至两倍的直流电源输出电压。

44、本发明优点如下：

45、1、传统的电弧等离子体激励器矩阵只能同时开关，无法改变阵型，对复杂多变飞行条件的适应性差。本发明的脉冲电弧等离子体激励器矩阵，每一路均可独立控制，整体具备实时可变阵型能力，对复杂飞行环境的适应性好。

46、2、传统的单电源驱动电弧等离子体激励器矩阵受“接力触发”过程中能量损耗的影响，仅能实现三十路左右的同步放电。本发明中矩阵内部电弧等离子体激励器的数目在理论上不受限制，能够实现上百路的大规模激励器矩阵，满足大尺寸航空流动的控制需求。

47、3、本发明的电弧等离子体激励器矩阵在工作过程中仅需要一个中压直流源即可，不需要额外的高压脉冲触发电源，供电系统整体结构简单，经济性好。

48、4、本发明的电弧等离子体激励器矩阵扩展性好，在增加激励器数目时只需要对应增加供电单元的数目和移位寄存器的输出通道数即可，不需要对原有供电电路进行重新拓扑设计和扩容。

49、5、本发明中大规模等离子体激励器矩阵的实时可变阵型控制仅需占用控制器芯片的三个输出端口即可实现，对于硬件系统的要求低。