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臨界空間高超音速飛行器是21世紀航空航天領域的研究熱點之一，該技術(shù)領域兩大難題為附面層轉(zhuǎn)捩點的預測及沖壓發(fā)動機進氣道/隔離段的流場測試，即高溫環(huán)境下的高頻動態(tài)壓力測量。例如，飛行馬赫數(shù)為10時，沖壓發(fā)動機隔離段的最大滯止溫度將大于1700℃；高超聲速附面層轉(zhuǎn)捩過程則會出現(xiàn)150~400kHz的壓力脈動。

現(xiàn)有廣泛應用的動態(tài)壓力傳感器，主要包括可用頻率響應范圍為Hz~105Hz的壓阻式、壓電式、電容式等類型，以及由此發(fā)展起來的多孔動態(tài)壓力探針式，但通常不適用于高溫環(huán)境的測量（通常低于120℃）。在犧牲動態(tài)頻響和尺寸的前提下，J.F.Brouckaert在溫度高達900 ℃、氣壓環(huán)境為5atm(1atm=101.325kPa)的航空發(fā)動機排氣環(huán)境下實現(xiàn)了測試，M. Mersinligil等在溫度超過1600 ℃、4atm的沖壓發(fā)動機環(huán)境實現(xiàn)了測試，但最高可用頻響均不超過100kHz，且尺寸較大（6~8mm）。

其他可用于高溫環(huán)境測試的壓阻式壓力傳感器，如Kulite公司帶有水冷卻結(jié)構(gòu)的EWCTV—312型號，具有耐高溫壓力敏感元件的藍寶石法-珀腔光纖式、SiC法-珀腔光纖式高溫壓力傳感器等，適用環(huán)境溫度雖然能夠達到1000℃，尺寸仍然偏大，均無法滿足附面層轉(zhuǎn)捩區(qū)及進氣道/隔離段高溫環(huán)境下的高頻壓力脈動測試需求。由此可見，基于傳統(tǒng)的測壓原理已經(jīng)很難同時突破溫度和頻響的瓶頸，亟需尋求新的原理實現(xiàn)高溫環(huán)境高頻動態(tài)壓力的測試需求。

利用等離子體技術(shù)開發(fā)的動態(tài)壓力傳感器為這種高溫環(huán)境下的高頻壓力測試提供了可能性，這種測量技術(shù)理論上不受熱慣性和質(zhì)量慣性的限制，動態(tài)響應頻率由激勵頻率決定，可達MHz水平。

等離子體在氣動熱力學領域的應用，一種是基于“等離子體氣動激勵”的主動流動控制技術(shù)，在抑制氣流邊界層分離和改善氣動阻力方面具有良好的應用前景。另一種則是利用等離子體進行氣動測量，最早是由加州理工學院的馮?卡門教授團隊提出來的，該團隊圍繞開發(fā)研制高頻響等離子體風速計，進行了一系列的研究。

在前人探索的基礎上，近年來美國圣母大學的E. Matlis和T. Corke 團隊進一步在等離子體風速計的研制與應用方面進行了拓展，國內(nèi)空軍工程大學張耘瑋等研究了射頻等離子體輝光放電特性與穩(wěn)態(tài)風速之間的關(guān)系。

在利用等離子體原理開發(fā)壓力傳感器方面，2008年圣母大學團隊將一個熱電偶改裝成等離子體壓力傳感器，并將其嵌在一臺跨音壓氣機的機匣壁面，用來感受壁面壓力擾動。同年圣母大學航空系的C.E.Marshall 博士設計了一種等離子體壓力傳感器，并在脈沖爆震發(fā)動機和旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機試驗臺（火焰溫度為2760℃）上進行了激波測試，這些實驗結(jié)果意味著等離子體壓力傳感器在高焓、高速流動中具有非常大的應用潛力。

然而，輝光放電等離子體電壓-氣壓關(guān)聯(lián)性的實驗結(jié)果仍然不夠完善，從發(fā)表的文獻來看所研究的壓力范圍都是低于1atm或大氣壓環(huán)境下研究的，抑或是稀有氣體放電，并不能滿足實際的應用環(huán)境要求，即放電介質(zhì)為空氣且通常高于1atm的應用環(huán)境，并且等離子體壓力傳感器的動態(tài)響應特性仍是研究空白。

本項目研究團隊前期針對輝光放電等離子體對低氣壓范圍（0.5～1.0atm）變化的響應特性進行了研究，并通過伏安特性曲線和放電圖片確定了傳感器工作在輝光放電狀態(tài)，通過實驗證明了利用輝光放電等離子體進行穩(wěn)態(tài)氣壓測量的可行性。因此，本項目在上述研究的基礎上，進一步開展輝光放電等離子體在高氣壓環(huán)境下的實驗研究，并針對這種壓力傳感器開展了穩(wěn)態(tài)標定和激波管動態(tài)標定實驗。

科研人員首先介紹了激勵等離子體的高壓電源及電子電路，以及穩(wěn)態(tài)標定的實驗裝置；其次在高壓氣罐中對三種不同間隙的等離子體壓力傳感器進行了寬氣壓范圍（0.4~5.0atm）穩(wěn)態(tài)標定，設計一種等離子體壓力傳感器，在激波管實驗臺上進行了動態(tài)標定實驗，以期為這種新型的等離子體壓力傳感器在實際應用場合提供理論支撐及設計準則。

圖1 等離子體壓力傳感器結(jié)構(gòu)及實物

科研人員最后得到的具體結(jié)論如下：

1）標準大氣壓環(huán)境下，保持外電路電流3mA不變，輝光放電的維持電壓首先隨著電極間隙的增大而逐漸減小，經(jīng)過50μm時的電壓最小值之后，再隨著電極間隙的增大而逐漸增大，且基本呈線性關(guān)系。

2）穩(wěn)態(tài)結(jié)果表明：50μm間隙適用于氣壓量程0.4~2.0atm，等離子體維持電壓隨著氣壓升高而減小，具有較為良好的單調(diào)遞減趨勢，對應的電壓變化為44V，靈敏度為0.275V/kPa。

電流選取在3~5mA之間，220μm間隙適用于氣壓量程0.5~5.0atm，等離子體維持電壓隨著氣壓升高而增大，呈良好的單調(diào)遞增趨勢。電流選定為3mA時，氣壓從0.5atm升高到3.4atm，對應的電壓變化為86V，靈敏度為0.297V/kPa；電流選定為4mA時，氣壓從0.6atm升高到5.0atm，對應的電壓變化為90V，靈敏度為0.205V/kPa；電流選定為5mA時，氣壓從0.8atm升高到3.9atm，對應的電壓變化為70V，靈敏度為0.226V/kPa。

3）激波管標定實驗結(jié)果表明，等離子體壓力傳感器與Endevco壓阻式傳感器均可以測試到激波的壓力上升過程，且二者對階躍壓力的響應上升時間均為1μs。通過計算動態(tài)傳遞函數(shù)可得，該等離子體壓力傳感器及其電源、電子電路系統(tǒng)的固有頻率為146.6kHz，Endevco壓阻式傳感器的固有頻率為279.24kHz。雖然目前等離子體壓力傳感器和成熟的壓阻式傳感器相對比在頻響上還有一定差距，但后期可通過改進高壓電源和電子電路的響應特性來獲取更高的頻響。

下一步將主要針對等離子體壓力傳感器所適用的應用環(huán)境展開研究：研究大氣壓高溫環(huán)境、高氣壓高溫環(huán)境對等離子體放電和對氣壓響應規(guī)律的影響，為航空發(fā)動機、沖壓發(fā)動機嚴苛高溫環(huán)境及超高速流動中的高頻壓力脈動信息的獲取提供技術(shù)保障。

以上研究成果發(fā)表在2021年第15期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“基于直流輝光放電等離子體的氣體壓力傳感器”，作者為李帆、羅海云 等。