等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状

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摘要：等离子体点火技术是航空航天动力领域研究前沿。本文概括了等离子体点火研究背景和基本原理，总结了国内外等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状，指出脉冲爆震发动机中利用等离子体点火具有诸多优势，如点火能量大、能有效缩短点火延迟时间、提高DDT特性等。在此基础上，本文分析了应用于脉冲爆震发动机的等离子体点火驱动电源、等离子体点火器以及两种典型等离子体点火方案。最后针对等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状，对其发展方向进行了展望。

关键词：等离子体点火;脉冲爆震发动机;放电特性;等离子体电源;点火方案

中图分类号：TG156 文献标识码：A

等离子体是由带电的正离子、负离子、自由基和各种活性基团组成的集合体，属于物质的第四态。等离子体中存在的带电粒子，与电场和磁场相互耦合，因此，等离子体与固体、液体或气体有本质的区别[1，2]。在航空领域中等离子体除了具有隐身、增强气流流动稳定性的作用外，还可在燃烧室中点火助燃。等离子体可以通过其热效应、输运效应以及动力学效应来加速燃烧室内的化学反应，在不同的介质、温度、压力等条件下起主要作用的促进效应不同[3，4]。利用等离子体进行点火，已经引起了世界各国研究人员极大的兴趣。

脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，PDE）是一种利用脉冲式爆震波生成的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机[5]。脉冲爆震发动机具有结构简单、重量轻、高推重比、高燃烧效率等优点[6]。针对爆震波的快速可靠起爆、尺寸的缩短和频率的提高等决定脉冲爆震发动机发展的关键问题，近年来研究表明利用等离子体点火能够有效地起爆脉冲爆震发动机，同时可以明显地缩短爆燃到爆震（Deflagration to Detonation Transition，DDT）的距离和时间，并具有更高的起爆成功率[7，8]。将等离子体点火技术应用于脉冲爆震发动机中，对提高脉冲爆震发动机多项性能指标有较大作用。

为准确把握国内外等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的研究进展，引起更多国内外学者对该技术的关注，加快推进等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用，本文对该技术目前的应用研究现状进行研究分析。

1 等离子体点火的基本原理

等离子体点火是利用放电形成局部高温区域，并激发大量的活性粒子，实现快速地点燃可燃混合气或者是强化燃烧的进程[9]，常见的等离子体点火有等离子体射流点火、电晕等离子体点火、瞬态等离子体点火等。等离子体点火的机理主要表现为三种效应：热效应、化学效应和气動效应[10，11]。热效应是指放电击穿放电介质，加热放电介质使其温度迅速上升。化学效应是指等离子体放电过程中，电子与空气/燃料分子发生碰撞，大分子碳氢燃料被电离成活化能很小的带电活性粒子，空气中的氧气和氮气分子被电离成氧化性更强的活性粒子，从而加速化学连锁反应。气动效应是指等离子体放电的过程会对流场产生扰动，一方面增强燃烧室内气流湍流脉动度，利于等离子体流和燃烧室气流掺混;另一方面有利于等离子体在混合气中的定向迁移，从而扩大了火焰焰锋面积，显著增大火焰传播速度，增强燃烧稳定性。等离子体点火相较于传统电火花点火，其优点为：

（1）点火区域大。如图1所示[12]，传统的电火花点火通常为点对点的点火方式，而等离子体点火的点火区域可以是一个面，甚至是一个三维空间。大量的点火流注可以实现多点同时点火，能够有效地增强等离子体点火的可靠性。

（2）点火延迟时间短。等离子体点火比电火花点火的点火能量大，可以迅速提高点火区域周围的可燃混合气温度，使可燃混合气快速达到燃烧反应条件，缩短点火延迟时间。

（3）点火能量利用率高。传统电火花点火只有少部分电能转化为点火能量，大量的电能被用来发光和加热电极，而等离子体点火所消耗的电能大都用于点火，从而提高了点火能量利用率。

（4）可燃混合气转化为活化粒子进行燃烧反应，极大地减少中间产物的生成，使燃烧反应更加完全，提高了燃料利用率，并大大减少有害物质的排放。

（5）点火能量可以更好地与可燃混合气耦合。点火区域的大分子碳氢燃料被电离成活化能小的活性粒子，使可燃混合气的化学反应速率更快、反应时间更短，同时达到点火的效果。

2 脉冲爆震发动机中的等离子体点火技术

理论研究表明脉冲爆震发动机有诸多的优点，经过国内外研究人员多年的研究，已经取得了巨大的成就。但截至目前，仍有许多技术难点问题制约着脉冲爆震发动机的工程应用。如爆震波的快速可靠起爆、尺寸的缩短和爆震频率的提高、高爆震频率下阀门的快速响应、快速填充及掺混、各系统之间的匹配、系统的可靠性等。

2.1 等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的研究现状

等离子体点火要应用于脉冲爆震发动机，需要适应爆震发动机的工作特点，即点火也应该是脉冲式的。常用的等离子体射流点火（火炬点火），因其响应速度较慢不适合直接用于脉冲爆震发动机的点火。因此，脉冲爆震发动机中使用的等离子体点火器，一般为相应较快的脉冲式点火器。

针对直管型脉冲爆震发动机的DDT距离和时间长的问题，从2003年开始，俄罗斯Starikovskii[13，14]在对等离子体点火和脉冲爆震发动机深入分析的基础上，提出利用等离子体点火技术起爆脉冲爆震发动机，以解决制约脉冲爆震发动机应用的各种问题，如爆震发动机的点火延迟时间、爆震室的长度、起爆成功率等问题。

2004年，美国南加州大学的Wang[15]和美国海军研究生院的Sinibaldi等也开展了相应的研究工作，他们使用的点火方式为纳秒脉冲放电点火，称之为瞬态等离子体点火（Transient Plasma Ignition，TPI）。研究表明，瞬态等离子体点火可以大幅地缩短DDT的距离和时间，而且起爆成功率也有所提高。初步的试验表明，在初始温度280～430K、压力101.33～607.95kPa范围内，点火延迟时间和DDT的转换时间都显著降低。