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等離子體附身:未來飛機將插上“隱形的翅膀”

 等離子體附身:未來飛機將插上“隱形的翅膀”


說明: 微信圖片_20190307171351

在黑暗中,等離子機翼會顯現出獨特的紫色電離場

      等離子機翼有著結構簡單、無機械部件、響應速度快等優點,比傳統的機翼舵面更輕便和高效。來自曼徹斯特城市大學(Manchester Metropolitan University)和格拉斯哥大學(University of Glasgow)的研究者們在這方面上取得了新的進展,讓該技術離走出實驗室、裝備到大型飛機上更近一步。

等離子體與飛行器有什么關系?

  出于對等離子隱身技術的探索,美國和俄羅斯軍方在等離子與飛行器的研究已有數十年的歷史,并在本世紀初將研究專向了其它空氣動力方面的應用。中國首個等離子體動力學國家級重點實驗室在2011年成立,專注于使用等離子改進飛行器發動機設計,但研究內容也包括減阻增升,提高戰機的失速攻角和機動性。各國非軍方機構也陸續將等離子體作動器(plasma actuator)技術應用在小型無人機上:


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2009年,德國達姆施塔特工業大學的無人機首次將等離子體作動器用于控制邊界層氣流分離


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2010年,斯坦福大學學生首次實現用等離子體作動器代替舵面


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2014年,中國南京航空航天大學的“紫電”無人機獲得10萬元獎金

等離子機翼好在哪里?

Dr. Rasool Erfani向媒體介紹道,等離子體機翼是最近10年才出現明顯進步的新技術,前景光明。這種機翼有著等離子體作動器,使用的是單介質阻擋放電(single dielectric barrier discharge, SDBD)技術。絕緣的機翼表面上下方布置上位置不同的電極,電極之間的高壓交流電將在空氣中生成不斷運動著的低溫等離子。啟用時,翼面上方覆蓋上一層散發著紫色光芒的電離場,帶動臨近空氣分子的移動。此時,飛機像是有了一雙持續扇動著的隱形翅膀,產生看不見的微風,改善了空氣動力結構。


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  相比普通機翼,在同樣攻角和速度的情況下,施加了等離子體激勵的機翼上方的氣流將被加速,導致壓強減小、升力增加。讓飛行器能以更低的速度與更短的距離起飛與著陸。這種機翼省去了活動的機械部件,能將電能直接轉化為動能。是壓電作動器、零質量射流和渦流發生器之外,又一種理想的主動流動控制(active flow control)技術。


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施加等離子體激勵前()與施加后的比較

  這樣的作動器通過改變電流強度來控制升力大小,達到代替液壓舵面、控制飛行姿態的目的。可以安裝在機翼上的不同部位。安裝在機翼尾部時則起出眾的整流作用,大大減少亂流帶來的阻力。美國的一家公司正在計劃把等離子體作動器安裝在貨車車廂尾部,聲稱能將油耗降低12%


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說明: IMG_262

普通貨車()車尾有明顯的亂流

將來的等離子飛機是什么樣的?

  Dr. Erfani等人使用的是一種新型的等離子體,叫做標準大氣壓均勻輝光放電等離子體(OAUGDP)。這種技術可用于大面積的機翼,能改變阻力大小和調節推力方向。在常溫常壓下使用,并且噪音和功耗極低。在小型無人機上只需要消耗幾瓦的能量。很快他們就能在更大的飛行器和更高的速度上進行測試。

等離子體作動器十分輕薄。按照需求,裝置厚度可從幾微米到幾厘米不等,可應用到現有的機翼上,提升飛機的機動性和燃油效率。傳統飛機機翼上的舵面需要沉重的機械進行操控。這份累贅在輕量化的新型飛機上被徹底去掉后,帶來的效率提升會更加明顯。在機翼前緣的等離子裝置還能改善超音速飛行。待等離子推進技術成熟之后,未來的飛機或許會像法國工程師與無人機專家Jean-Louis Naudin設計的那樣,使用覆蓋機身的等離子層提供升力與推力,以至于不需要化石燃料,完全代替噴氣式發動機。


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