电磁流体力学技术在航空航天领域的应用.pdf

信息专递 电磁流体力学技术在航空航天领域的应用 摘 要 近年来 越来越多的研究人员将目光投向电 磁流体力学 MHD 技术在冲压 超燃冲压发动机推进的高 超声速飞行器上的应用研究 介绍了主动控制再入大气层 时的气动加热和飞行性能的 MHD流量控制方法的原理 并 给出了数值分析和以超燃冲压发动机驱动 MHD发电系统 试验验证装置为对象进行的数值分析 关键词 电磁流体力学 MHD 冲压发动机 超燃冲压发动机 前 言 MHD技术在工程学领域的应用 过去主要是 以地面大容量高效率发电为目标 最近以航空航天 领域的应用为目标的研究越来越盛行 等离子体 MHD技术在航空航天领域的应用之 一 是等离子体工程学教科书中很早介绍的 MHD 加速器 其原理非常简单 磁场 B 被外加到管道内 从外部强制流入电流 j 利用劳伦兹力来加速气流 作为模拟再入大气层时的高焓高超声速流的装置 一般都采用电孤加热型或感应耦合加热型等离子体 风洞 在这些风洞中 用气动喷管加速贮气槽生成 的高温 高压等离子体 然后用 MHD加速器进一 步进行电磁力学加速 在不改变贮气槽的热 压力 条件下有可能提高试验气流的速度和热焓 现在 正常工作的大型 MHD加速风洞只有俄罗斯的茹科 夫斯基空气流体动力学研究所 200 k W 300 k W 的同轴电孤方式 外加磁场 2 5T 驻点温 度 3 700 K左右 驻点压力约0 3MPa 气流速度约 8 km s 美国的 NASA认识到这种风洞的重要性 在马歇尔空间飞行中心根据电磁流体力学增加推力 试验 MAPX 计划正在积极建造 MHD加速风洞 该装置不仅作为 MHD加速风洞 还将作为探讨用 MHD加速器对未来宇宙航行用大推力推进器研究 的基础试验装置 能够反映世界 MHD技术在航空航天工程领域 应用研究动向的有美国航空宇宙学会的 PLC 每年 召开 和由相关研究者召开的关于 MHD技术在发 电 航空航天领域应用的国际会议 每二年一次 近年来 有关 MHD技术在冲压 超燃冲压发动机推 进的高超声速飞机上应用的报道很多 研究方向大 体有两个 一是沿俄罗斯提出的 AJAX概念方案的 研究 另一个是沿美国的 HVEPS 高超声速飞行器 电能产生系统 计划的研究 吸气式冲压 超燃冲压 发动机与涡喷发动机不同 是利用大气的动压来压 缩空气 然后在燃烧室加入能量 通过尾喷管喷射 燃烧气体来获得推力 在 AJAX概念中 在燃烧室 前方设 MHD发电机 在燃烧室后方设 MHD加速 器 用 MHD发电机将气流的焓转换为电力 利用 该过程控制流入燃烧室气流的压力和温度 获得的 电力从燃烧室分流供给 MHD加速器 用来对气流 进行再加速 引入 MHD方法不可避免地会引起总 压损失和热效率下降 但是引入 MHD可以带来燃 烧性能的改善和飞行条件的扩大 综合考虑还是有 利于冲压 超燃冲压发动机的高性能化 另外 获 得的电力不仅可以作为 MHD加速器推进能量 还 可以供给 MHD发电机前段的预备电离装置 并可 用于气流的等离子体化 在 AJAX概念方面 目前 研究人员正在利用热力学的方法验证该概念的有用 性和利用计算流体力学详细掌握超燃冲压发动机内 的电磁流体状态 为进一步推进研发 有必要进行 MHD能量旁路发动机的验证试验 美国的 HVEPS计划从 2001年开始 为期 5 年 对超燃冲压发动机与 MHD发电组合的机载型 发电系统进行了研究 超燃冲压发动机没有机械可 动部分 不能提取轴输出功率 所以不能利用一般 回转型发电机产生电力 在 HVEPS计划中 MHD 发电机的特性是 1 不需要机械可动部分 可以直 11 飞航导弹 2009年第 3期 信息专递 图 2 MHD流量控制的概念图 图 1 超燃冲压发动机驱动 MHD发电系统概念图 接把流体的热焓转换为电能 2 每单位体积的输出 密度极高 先前 AJAX概念中不把用 MHD发电机 对气流控制作为主要目的 而是作为超燃冲压发动 机的机载电源为主要目的利用 MHD发电机 HVE PS计划 见图 1 设想在超燃冲压发动机燃烧室后 面设置 MHD发电机 以高温 超声速燃烧气体 为 具有导电性而添加微量碱金属 为工作流体使 MHD 发电机运转 2006年 作为 HVEPS计划的一环 以 通用原子能公司为中心 在 Lytec公司 LLC公司 和 NASA马歇尔宇宙中心的协助下用联合技术公司 的超燃冲压发动机试验装置进行了验证试验 该试 验证明利用 MHD技术可以从超声速燃烧气流中提 出电力 而且还明确了今后的研究课题 研究人员在开展 MHD技术在冲压 超燃冲压 发动机超声速飞机上的应用研究同时 利用 MHD 技术对再入大气层或进入行星时的气动加热和飞行 性能的主动控制 以下简称 MHD流量控制 研究 1 MHD流量控制的原理与分析 1 1 MHD流量控制的原理 航天飞机等空天运输机再入大气层时 将暴露 在机体前方强脱体激波引起的极严酷气动加热环境 下 美国的航天飞机利用碳 碳复合材料或碳化硅 SiC 复合材料等耐热瓦保护机体不受损害 而计 划 2010年返回地球的隼小行星探测器将采用称为 烧蚀法的碳素树脂相变的热防护法 这些方法都属 于 耐热 被动热防护技术类 缺乏再使用性 这是 现阶段可靠性最高的热防护技术 本文研究的 MHD流量控制属于 积极降热 的主动热防护技 术 而且在原理上可重复性是极高的 作为未来空 天运输机的重复型热防护方法之一正在探讨中 再入大气层时产生的脱体激波非常强 在飞行 器与激波之间的空域 冲击层 中的气流为等离子 体状态 用机内装载的磁铁对该等离子体流外加磁 场时 如图 2所示由法拉第电磁感应法则及霍尔效 应可知 冲击层内可以产生感应电流 该电流与外 加磁场的相互作用产生的劳伦兹力可使冲击层内的 气流减速 进而使冲击层扩大 激波向前方移动 壁面附近的温度梯度变缓 壁面热通量降低 这就 是 MHD流量控制的基本想法 特别是根据最近的 研究 采用 MHD流量控制时机体形状不变 有可 能使高空领域的阻力增加 其结果可能在气动加热 剧烈的飞行高度 高度 70 km 50 km 下可以更低 速度飞行 由此 可期待气动加热的降低 MHD流量控制法与过去提出的其它主动热防 护法不同 在承受热负荷的机体表面不设特殊结构 便可主动防热 而且磁场系统是机体内部装载的 所以不受热负荷的影响 可以再次使用 因此 MHD流量控制作为未来型热防护法有很高的吸引 力 MHD流量控制方案最初于 20世纪 50年代提 出 当时认为该方法的最大缺点 也是怀疑其可行 性的理由之一是 即磁场系统的质量太大 可是随 着大型超导磁铁的轻量化 强磁场技术的进步 质 量问题已不会制约 MHD流量控制的实际应用 1 2 电磁流体的基础方程式与分析方法 在流场的基础方程式中 再入流的计算流体力 12 飞航导弹 2009年第 3期 信息专递 学一般以广泛利用 Park的两种温度模型为基础 在 11种化学元素 热化学非平衡压缩性 Navier Stokes方程式中加上以 MHD相互作用项作为源项 使用 另外用 Park的这两种温度模型 考虑各状态 的能量转换速度 重粒子的并进状态及回转状态作 为平衡状态用一种温度 并进 回转温度 Ttr 表示 其它的内部状态 即振动状态 电子激励状态以及 自由电子的并进状态作为另外的平衡状态用一种温 度 振动 电子激励 电子温度 Tve 表示 这些基础方程式在一般坐标空间下进行有限体 积的离散化后求解 关于对气流项的数值流速评 价 使用引入 Shock F ix法的 AUS M DV方案 此时 单元界面的原始变量使用了山本等人提出的高阶精 度 MUSCL TVD方案 最高 4阶精度 进行了评价 扩散项的离散化使用了中心差分法 时间积分使用 LU SGS负解法 伴随各化学元素的化学反应的质 量生成 消失项用 Diagonal Point Implicit法进行了 负处理 电磁场的基础方程式使用以低磁雷诺数 MHD 为基础的 M axwell方程式 霍尔效应 电子压力梯 度考虑使用了普通欧姆公式 根据这些电场的方程式推导有关电位 的 2阶 偏微分方程式 然后在适当边界条件的基础上用卡 拉金有限元法解方程式 根据所得的电位分布明确 电场分布 然后将电场分布代入普通的欧姆公式 这样便可得出电流分布 1 3 分析结果举例 首先 根据某特定飞行条件的分析结果确认 MHD流量控制方法的同时 以所谓 壁面与气流的 电气耦合 的导电性流体等的物理现象为理由证明 MHD流量控制的可用性 主要取决于机体壁面的 电气特性 其次 根据电磁流体与飞行物体的飞行 轨迹的耦合分析结果 简单说明 MHD流量控制对 飞行特性的影响 用于分析研究的飞行物体是模拟 再入大气层的实验机 OREX 1994 JAXA 该机机 头半径为 1 35 m 具有轴对称形状 而且假定的外 加磁场分布也相对飞行物体的中心轴具有对称性 对物体周围的电磁流场与轴对称 r z 2维流场进行 了近似解析 图 3所示为外加磁场时 MHD流量控制应用 时 与无外加磁场时的压力分布比较 而图 3 a 是 在求电位分布时 壁面的边界条件为电气完全绝缘 壁 电导率为 0 时处理的结果 图 3 b 为完全导 体壁 电阻率为 0 时处理的结果 飞行条件为 高 度 59 6 km 速度 5 6 km s 外加磁场分布假定为 驻点 r 0m z 1 35m 具有 0 5T对称磁场 从图 3 a 可明确 MHD流量控制方法在外加磁场 时激波向前方移动 冲击层扩大 而从图 3 b 所 知 在完全导体壁条件时 即便外加磁场也看不到 上述的激波移动 冲击层扩大 的现象 图 4所示为 壁面热通量的分布 另外 壁面的温度作为边界条 件固定为 1 519 K OREX试验中高度 59 6 km时的 13 飞航导弹 2009年第 3期 信息专递 值 在外加了磁场激波前移的绝缘壁条件下 与 无外加磁场时比较 壁面热通量值低 另一方面在 导体壁条件下 即便是外加磁场壁面热通量也大致 无变化 图 5所示为圆周方向电流密度分布 由 MHD 流量控制引起的激波移动 圆周方向电流与外加磁 场的相互作用产生的劳伦兹力使气流减速 所以外 加磁场在同样条件下圆周方向电流越强激波的移动 越显著 由图 5所知 在绝缘壁条件和导体壁条件 下圆周方向电流密度有很大差异 导体壁条件下的 圆周方向电流密度最大值是绝缘壁条件下该值的 5 以下 如果从法拉第的电磁感应法则考虑圆周 方向电流的大小 在外加磁场一定时 其大小仅由 等离子体流的导电率和速度决定 而不受壁的电气 特性控制 可是实际上 称为霍尔电磁效应的物理 现象严格支配冲激层内的电磁场现象 通过其效应 冲击层内的电流会受到壁的电气特性严重影响 霍 尔电磁效应具有使圆周方向 相对磁场为垂直方 向 导电率下降的效应 在另一方面 由霍尔电磁 效应引起的 r z平面上的电场与外加磁场的相互作 用成为圆周方向电流的驱动力 图 6所示为完全绝 缘壁与完全导体壁条件的 r z 平面上的电位分布 在绝缘壁条件从机体的驻点沿壁的方向电位上升 在驻点与凸肩之间产生约 4 k V 的电位差 由于这 样大的电位差 强电场 由霍尔电磁效应引起的实 效导电率下降时 便可取得仅使激波移动的圆周方 向电流 另外 在完全导体壁条件下 沿机体壁面 方向电位不上升 大体保持等电位 也就是说与绝 图 7 r z平面上的电流流线图 点线为激波位置 缘壁条件时不同 导体壁条件得不到带来大的圆周 方向电流的强电场 所以 在导体壁条件下即便是 外加磁场也不可能使激波移动 图 7所示为在完全绝缘壁条件和完全导体壁条 件下 r z平面上的电流流线 不论在那种条件下 r z 的电流都由霍尔电磁效应产生 根据图 5和图 7考 虑电流流线的形式时 在绝缘壁条件下 电流边形 成涡边沿圆周方向流 该电流关闭在等离子体中 另外 在导体壁条件下从壁流出的电流按圆周方向 弯曲向下游流入冲击层内 再次进入壁内 也就是 说在导体壁条件下 冲击层内的等离子体与电位固 定的导体壁进行电气耦合 因此 得不到绝缘壁条 件那样的冲击层内强电场 另外 在外加磁场时 电流的 r z成分与磁场的相互作用在圆周方向产生 劳伦兹力 所以在不外加磁场时看不到的圆周方向 流将在冲击层内被感应 其大小在绝缘壁条件为 300 m s左右 在导体壁条件为 100 m s左右 其 方向影响壁面附近电流方向的原因 在导体壁条件 和绝缘壁条件下起相反的作用 14 飞航导弹 2009年第 3期 信息专递 根据以上分析结果可以确认 如果机体壁面是 完全绝缘壁便可利用 MHD流量控制降低壁面热通 量 而在将机体壁面作为完全导体壁处理时 MHD 流量控制却完全起不到作用 之后 研究人员在上 述 59 km的飞行高度条件下进行了以机体壁面导电 率为参数的分析 明确了可能进行 MHD流量控制 的壁面材料的导电率的上限值 而且还明确了该上 限值大体与壁面材料的厚度成反比例 但是 可能 进行 MHD流量控制的壁面材料导电率的上限值将 因冲击层内等离子体的导电率而变化 所以为建立 可以与 MHD 流量控制同时使用的壁面材料数据 库 今后必须以对冲击层等离子体导电率有很大影 响的飞行条件作为参数 进行同样分析 为简单说明 MHD流量控制对电磁流场与飞行 航迹 气动阻力 气动加热等的影响 在该分析中 假定机体壁面为完全绝缘壁 初始飞行条件分别设 为高度 75 km 速度 7 2 km s 而再入角固定为 3 攻角为零不产生升力 图 8所示为飞行高度与飞行速度的关系 图中 所示 B0值表示对称磁场驻点的磁通密度的大小 该值越大空间总体的磁场分布越强 但是磁场最强 点是驻点 从图 8可知外加磁场在同样高度 磁场 强度越高 再入速度下降量越大 外加磁场时的飞 行物体阻力分为气体力学的阻力和劳伦兹力的反作 用力作用到飞行物体的电磁力引起的阻力 在外加 磁场时飞行速度下降的原因是在高高度该电磁力引 起的阻力使飞行物体大幅度减速 图 9所示为飞行高度与驻点热通量的关系 由 该图可知 飞行高度全区域用外加磁场时驻点热通 量下降 而该下降量随磁场强度增强而增加 在所 有磁场条件下在高度 60 k m 附近驻点热通量取峰 值 在 B0 0 5 T时的驻点热通量的峰值在不外加 磁场时将减少到该值的 70 左右 由该外加磁场引 起的驻点热通量下降 在图 3所示冲击层的扩大和 图 8所示飞行速度的下降这两种情况下都出现过 如果在两种情况下找出原因 在高高度时冲击层的 扩大是主要原因 在低高度飞行时速度下降是主要 原因 之所以外加磁场时热通量下降原因是随飞行 高度而变化 因冲击层内的导电率随高度下降而减 少 因此 引起冲击层扩大的劳伦兹力也随飞行高 度的下降而变弱 另外 图中省略 在高度低于 55 km的低高度 即便外加磁场也不能产生有效的 劳伦兹力 冲击层也不扩大 外加磁场使飞行速度下降时 飞行时间自然会 变长 外加 B0 0 5 T 磁场时 从高度 75 km 到 45 km的飞行时间与不外加磁场时比较延长 20 s左 右 不过 作为壁面热通量的壁面积 飞行时间的 积分值定义的总加热量 Q在外加磁场时尽管飞行时 间变长仍显示出低值 外加 B0 0 5 T时总加热量 Q 为不外加磁场时的 60 左右 如上所述 驻点热通量峰值和总加热量不论哪 一方利用 MHD 流量控制都可有效降低 而且 MHD在机体壁面不必设特殊结构便可主动进行热 控制 还可再使用 因此 可以确信作为未来空天 运输机的热防护技术具有深入探讨的价值 15 飞航导弹 2009年第 3期 信息专递 2 超燃冲压发动机驱动 HVEPS MHD发电机的电 磁流体分析 如上所述 美国根据 HVEPS计划研究了超燃 冲压发动机与 MHD发电组合的飞机装备型发电系 统 试验用的 MHD发电机采用便于制造的铜框架 间插