临近空间飞行器表面波等离子体推进新原理
荆志波，江滨浩
哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨（150001）
E-mail: jingzhiboqust@
摘要：针对临近空间大气容易实现放电形成等离子体的天然环境条件，根据流体力学伯努利原理、等离子体中的粒子和波之间共振效应和表面波与定向运动等离子体流之间存在着自恰的耦合关系，本文提出临近空间飞行器表面波等离子体推进的新原理。该原理具有响应速度快、推力可调、机动性强等特点。
关键词：临近空间；伯努利原理；表面波等离子体；波－粒子共振效应
中图分类号：O53
1引言
近年来，临近空间特殊的战略价值受到了许多国家的重视。飞艇类浮空器具有驻空时间长、载重量大、生存能力强、预警功能强、侦察视野广、效费比高等优点，各航天大国纷纷开展以飞艇为主的浮空器平台的研究和应用[1]。飞艇所处的平流层环境比较特殊和复杂，一方面大气稀薄，另一方面风速、风向变化频繁[2]。面向我国未来临近空间信息作战平台的需求，为了使飞艇以较高精度实现定点悬停或低速飞行，从而完成较长时间（半年以上）的预警侦察任务，要求推进装置能克服大气阻力，并能根据周围气流变化情况实现推力的连续可调；升浮控制装置能以较快的响应速度使飞艇升降及时避开强气流区；姿控装置能以较高的精度调整飞艇的姿态，以精确调节飞艇的航向及太阳能电池帆板的接收角度。
目前，美国、日本和以色列在平流层飞艇的推进技术等关键技术研究方面处于世界领先地位[3]。所设计的飞艇几乎都采用电动螺旋桨作为主推进器来抵消风力，实现位置修正、姿态调整和巡航飞行；飞艇升浮控制则都是通过调节气囊中主、副舱之间氦气和空气的体积比来实现。如美国洛克希德·马丁公司的高空飞艇采用了四台电动马达驱动的推力矢量大型双螺旋桨作为推进器[4]；日本与美国合作于2005年升空的高空通信平台上的充氦飞艇则采用了由尾部和两舷的螺旋桨提供的驱动力来做位置保持[5]；以色列飞机工业公司(IAI)研制的巨型侦察飞艇也已经在21km高度试飞成功，通过艇身后部的电动机带动螺旋桨进行巡航飞行[6]。最近，NASA从未来发展的角度发表了论证报告[7]，提出在“临近空间”的相对较低高度采用螺旋桨推进比较合适，但是当进一步提高工作高度时使用等离子推进器就相对比较合适，图1表明等离子体推进的适用空域要高于电动螺旋桨的高度，其根本原因在于，当海拔越来越高时，大气变得越来越稀薄，容易实现电离，采用空气动力学的方式推进不如等离子体推进有效。
驻空类临近空间飞行器的主要特点有以下三个：
（1）翼展大、表面积大，因而其表面覆盖的太阳能电池帆板供给的电能相对充足，如美国MDA公司设计的试验型高空飞艇表面积约23550m2，提供的最大电功率为75kW，因此其产生的电能供飞艇内部的有效载荷使用后还有较多的剩余[4]。
（2）周围的空气介质非常稀薄，如在30km高空，气压约1200Pa；在40km高空，气压则降到约280Pa[8]；低气压条件下容易放电形成等离子体。
（3）相比大气层内飞行器，其工作时间很长，通常达半年以上，平台自重很大。
图1 近空间飞行器推进系统工作高度比较（引自NASA 报告）
针对驻空类临近空间飞行器的上述特点，本文提出了一种新概念推进技术——表面等离子体推进。借助稀薄大气容易实现放电形成等离子体的天然环境条件，利用等离子体（带电粒子）与电磁场的相互作用的物理规律，用电磁场来驱动飞行器表面等离子体，形成宏观的等离子体定向流动，由流体力学伯努利原理，飞行器表面就能产生负压;根据此原理，可构成基本升力单元。基本升力单元可以进行组合，安装在飞艇翼面或舵面上作为升浮推进装置和姿控推进装置。
2升力推进原理
众所周知流体力学伯努利原理可表示为[9]
P 1+ρV 12/2+ρgh 1= P 2+ρV 22/2+ρgh 2 (1)
式中, (P 1，P 2)、（V 1，V 2）和(h 1，h 2 )分别是上下表面压强、上下表面气体流速、上下表面高度，ρ和g 分别表示空气密度和重力加速度（见图2）。当h 1= h 2时，可得P1+ρV 12/2
= P 2+ρV 22/2，
和压力差 P =
P △1-P 2=ρ(V 22-V 12)/2。当飞行器上表面气流速度V1高于下表面气流速度V2时，就能产生负压，获得升力;根据此原理，可构成基本升力单元。经测算，在不同高度h 和不同上表面等离子体流速V1下，飞艇表面单位面积产生的升力f 估算如表1所示。
图 2 升力形成原理示意图
表1 飞艇表面单位面积产生的升力（N/m2）估算
可见，只要在飞艇上翼面形成一定速度的表面气流，就将产生可观的升力推进。
3表面等离子体的宏观定向运动
根据等离子体动理学中波－粒子(离子)的相互作用关系可知，当带电粒子与等离子体中的波满足共振条件时，粒子和波之间将充分交换能量[10]。相速度在等离子体中存在着热运动速度（v Ti）接近并小于波速度的粒子群（共振粒子将吸收波能量而被加速，同时波受到无碰撞阻尼（即著名的朗道阻尼）而衰减[10]。慢波和表面等离子体形成，等离子体定向加速驱动是临近空间飞行器表面等离子体推进技术的重要研究内容。
3.1 表面波慢波形成
如图3所示，金属衬底层状介质是利用介质边界条件引导电磁波的波导，当介质中的电磁波的入射角度大于临界角时，在介质层外表面折射出沿层表面传播的表面波，波幅按指数规律迅速衰减，电磁场在空间上被压缩，形成高场强，直接电离介质表面的空气形成等离子体[11]。另一方面，该表面波相速度小于无界媒质中平面波的相速度，并与金属衬底波导的物性特征参数和几何因素有关。普通介质波导的介电常数和磁导率较低，所形成的表面波相速度远高于等离子体中离子的热运动速度；因此，必须研究大幅度减慢表面波相速度的特殊机制。选择片状磁化铁氧体为波导介质，利用它的色散性质和各向异性特征可大幅度减慢表面波相速度。当铁氧体的电子进动频率和微波频率相等时，将发生铁磁谐振，此时的相对磁导率极大，表面波的相速度将大幅地降低[11]。磁化铁氧体中存在着两种电磁波的传播方式，适当的磁化方向和强度能够同时兼顾电磁波在波导中的传播和表面波的减速。
图3 表面慢波形成示意图
