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平流层飞艇作为通信中继和侦察预警平台,其持久抗风驻留能力主要依赖于螺旋桨推进系统。然而,临近空间大气稀薄,平流层飞艇机动速度较低,螺旋桨叶素雷诺数较小,不仅降低了螺旋桨效率,而且导致螺旋桨常规增效手段在临近空间不适用。采用减小飞艇本身阻力的办法可以降低对螺旋桨性能的要求,从而提高飞艇的持久抗风驻留能力。大量研究性实验和实际应用证明了等离子体流动控制技术可以实现减小飞行器阻力,因此,将等离子体流动控制技术应用于平流层飞艇以减小其阻力是一种可行、高效的途径。但是以往采用介质阻挡面放电产生等离子体的方法所获得的等离子体区域较小,不适合飞艇艇体大面积使用,而表面波等离子体放电可以产生高密度、大面积、均匀的等离子体。因此,本文提出采用表面波等离子体流动控制技术减小平流层飞艇阻力。主要研究内容和结论有: (1)根据平流层环境的特点,分析了平流层飞艇受力及其影响因素。基于平流层飞艇设计基准,采用数值分析方法建立了平流层飞艇模型,并仿真研究了该飞艇的气动性能,为后续有针对性的开展表面波等离子体减阻研究提供了基准对象。 (2)研究了表面波等离子体产生过程和产生原理,并采用MATLAB软件仿真分析了等离子体和表面波相互作用特性。研究得出:在临近空间,采用表面波等离子体放电方式更容易放电,更易激发等离子体;等离子体能够增强电磁场强度和扩大强电磁场范围,解释了产生等离子体之后更容易维持放电、表面波等离子体放电能够产生大面积等离子体的原因。 (3)分析了连续模式和脉冲模式表面波等离子体流动控制机理,使用三维电磁仿真软件CST仿真分析了电极片结构参数、电压施加方式和绝缘层参数对加速电场特性的影响,采用理论分析和MATLAB仿真相结合的方法研究了缝隙天线阵结构参数对等离子体特性的影响。研究表明:连续模式表面波等离子体流动控制通过加速电场对等离子体的连续力作用定向加速等离子体,等离子体与周围空气进行动量和能量交换,实现对流场的控制。脉冲模式表面波等离子体流动控制通过控制电源的开启和关闭,实现对飞艇流场周期性控制;并且,等离子体向边界层输入动量的同时诱导出旋涡,从而对激励器下游流场的影响范围更大。 (4)基于建立的平流层飞艇模型,针对连续模式表面波等离子体流动控制,研究了激励器布局和工作方案、激励器加速电场强度等对等离子体控制飞艇流动效果的影响;针对脉冲模式表面波等离子体流动控制,分析了脉冲频率和占空比等对等离子体控制飞艇流动效果的影响。结果表明:连续模式表面波等离子体流动控制和脉冲模式表面波等离子体流动控制均能抑制飞艇尾部分离,减小飞艇阻力。