等離子體風洞

等離子體風洞能夠提供純淨的、長時間穩定運行的高焓等離子體射流，是開展高超聲速飛行器等離子體鞘層電磁特性研究的理想設備。

氣體介質通過旋向進氣裝置進入石英管，載有高頻電流的感應線圈纏繞在石英管上形成感應放電室，在石英管內部產生交變的電磁場併產生次生電流，在歐姆加熱的作用下氣體被加熱至很高的温度，通過噴管進入真空試驗段，從而形成等離子體射流 ^[1]  。

在高超聲速飛行條件下，飛行器周圍高温氣體產生了強烈的振動、離解和電離，形成了等離子體鞘層。各種測試、控制、導航、通信電磁信號穿過等離子體鞘層時，由於電子振盪，電子通過與等離子體鞘層中的背景粒子碰撞，將動能傳給背景粒子，這樣就造成入射電磁波自身能量的衰減；另外，電磁波在等離子體鞘層中會產生法拉第旋轉，從而造成極化失真。正是由於電磁信號的衰減和失真，從而引起飛行器與外界的通信中斷，即“黑障”問題。因此開展等離子體鞘層電磁特性研究，對軍事和民用空間通訊都具有重要的現實意義。

在高超聲速飛行器等離子體鞘層電磁特性的研究工作中，風洞流場的電子數密度、電子温度及其空間分佈是最重要的影響參數。針對這些風洞流場關鍵參數的診斷，基於高頻等離子體風洞，對高頻等離子體風洞不同運行功率、不同氣體流量條件下射流核心區域的電子數密度和電子温度進行測試，研究電子數密度和電子温度隨風洞運行參數的變化規律。

美國普林斯頓大學設計和建造了一座超聲速微波驅動式等離子體風洞,用以研究等離子體對流動機理等方面的影響。該風洞試驗段尺寸51mm*51mm,試驗M數為3,試驗段靜壓5600Pa,靜温110K。等離子體由頻率2.45GHz、脈衝1ms、50kW的微波輻射產生並導入超聲速流場。微波由安裝在洞壁上側的微波窗口引入,通過反射板使其偏轉90°成水平方向。然後,微波與氣流一起流過噴管,自誘導形成等離子體超聲速流場,反射板上開有直徑6.4mm的密佈小孔,以便能在反射微波的同時,允許氣流通過。

美國斯維爾德魯普技術有限公司(Sverdrup Tchnology,Inc.)和空軍阿諾德工程發展中心(AEDC)研製了超聲速電弧等離子體風洞。該風洞將蓋爾丁型(Gerdien-type)等離子發生器電極的正極鑲嵌於15°的風洞錐型噴管喉道中,試驗氣體(氬氣)流經電弧並通過噴管膨脹後,射入直徑178mm、長1219mm的耐熱玻璃管試驗段。

俄亥俄州立大學為了研究超聲速冷氣流中激波流動控制問題,近年來研製了小尺度、非平衡等離子體風洞,試驗M=2,風洞中的等離子通過喉道處直流放電電極或試驗模型前射頻放電電極產生。

感應熱等離子體風洞(plasmatron)是通過高頻電發生器感應偶合將亞聲速或超聲速射流加熱到極高温度(5000~10000℃),此時氣體被電離,它主要用於航天器防熱研究 ^[2]  。