338 深空探测学报 2018年 射频电磁场可将电子温度提高到8000K且能够在较低功率为1.5MW。1960年,西屋公司也建造了尺寸与阿 的入口滞温(4000~4400K)条件下获得15~20kW夫科公司前期建造的发电机大致相同,但是实验中的 的输出功率,而没有射频电磁场辅助电离时,发生器工质为添加了碱金属种子的高温燃气并且采用了耐火 的输出功率几乎可以忽略;连续输入射频电磁功率能材料,通过这些改变,发生器的运行时间延长到了 够使非平衡等离子体结构保持良好的稳定性,发生器1h左右。1964年,田纳西州的阿诺德科学研究中心在 的能量转换效率也得到提高。其次,作者还将射频电类似的发电机上进行工作,为风洞提供所需的功率 磁场辅助电离的盘式发生器和多负载盘式发生器进行 Murray等用了短时高频脉冲(2ns,100kHz 了实验对比。对比结果显示,采用射频电磁场辅助电约10kⅤ/cm)电离方法、最大6T的超导磁铁,实验研 离时,霍尔电压明显提高,等离子体结构稳定,而多究了低温高速来流非平衡电离MHD发生器的性能。实 负载发生器在高种子电离度和高上游负载时,虽然可验结果表明,当磁场强度B=0T时,等离子体主要耦 以提高霍尔电势,但是等离子体不均匀,结构不稳合在边界层上,但是当加了磁场之后,等离子体分布 定:在较大范围的种子浓度和负载变化下,射频电磁就向主流区移动,表明磁场在等离子体分布中扮演重 场辅助电离可以明显提高发生器性能,与传统盘式发要的角色:采用微波衰减技术测得峰值电子数密度在 生器相比,射频电磁场辅助电离的盘式发生器比较适5×10"-5×102cm3之间。俄亥俄州立大学开发了一种 合在低电压和高电流下运行 新的非平衡等离子体超音速MHD风洞实验装置,能够 Murakami等结合实验和数值模拟,研究了高在超音速MHD实验段产生稳定均匀扩散的等离子体 能量转换效率的盘式发生器性能,其工质为Ar或Ar-流0。利用该实验装置, Nishihara等对MHD发 Cs。实验方面,以纯Ar为工质,当入口总温由7600K电通道进行了一系列研究。在磁场强度为1.5T,射频 逐渐提高到9700K,等离子体逐渐从非均匀不稳定状放电功率为500W时,实验测得的霍尔参数β近似为 态转变为均匀稳定状态,此时即便在磁场为0.5T时,3,电导率约等于0.05mho/m;当洛伦兹力与流动方向 发生器性能也得到明显提高,焓提取率达到加种子的相反时,边界层的密度波动强度增加了10%~20%; 水平;当入口总温提高到9000K,磁场由0.5T提高到焦耳热对边界层气体密度波动的影响可以忽略不计。 1.2T时,等离子体结构稳定性和发生器性能得到提采用激光散射方法对磁场强度为1.5T,流速为3Ma的 高:当入口总温超过9500K,磁场超过2T时,发生器实验段边界层进行可视化的研究结果表明,随着雷诺 性能开始恶化。以ArCs为工质进行实验时,测得的入数的增加,边界层流动变得更加混乱,温度波动的空 口总温为2150±150K,入口总压为0.20±0.1MPa,间尺寸减小,通过激光差分干涉实验测量技术测得的 出口马赫数为22±0.1(B=0T)或10±02(B=4T),边界层密度波动结果表明,边界层转戾发生在滞压为 霍尔电流为600~700A,电子温度为400~7000K200~500Tor之间,当洛伦兹力对流体减速时,静压 在r〓55mm处)。数值模拟结果与实验结果保持很上升17%~20%,而洛伦兹力对流体加速时,静压上 好的一致性。数值模拟结果表明,可以通过采用小扩升仅为5%~7%。当边界层滞压从150To变化到450 张角、均匀强磁场、高电导率等离子体,足够大的压Tor时,雷诺数从2.7×103变化到8.1×10°。由美国空 力梯度来克服紧凑型发生器的缺点,提高发生器性军发起的 HVEPS( Hypersonic Vehicle Electric Power 能,使发生器输出功率密度达到0.76GW/m3,等熵效 System)项目,在5年的时间里完成了各种机载高 率达到51%,焓提取率达到17% 超声速MHD发电系统集成和运营等相关工程技术的研 2)法拉第型发电 究,2006年12月建成了高超声速MHD发电的地面测试 1959年,阿夫科公司建造了功率为115kW的实验系统,2007年8月成功完成了地面测试实验 性法拉第型磁流体发电机,这一装置采用3000K的氩 日本对法拉第型发生器的研究也投入了相当多的 等离子体喷流作为工质,通道长宽高尺寸为500×75×人力、物力和财力。 Tanaka1以激波风洞设备为 25mm,通道两侧等距离放置40对电极。由于等离子基础,实验结果表明,通过提高入口总温可以使等离 体与磁场之间的强烈相互作用,实验观察到了可观的子体从非均匀不稳定状态逐渐转变为均匀稳定状态并 压力降。1959年后期,阿夫科开始和一些电器企业合提高了法拉第型发生器的输出功率。对于不同的惰性 作,建造了一个大型的实验性发电机,其长宽高尺寸气体,等离子体从非均匀不稳定状态转变为均匀稳定 为1500×225×75mm,使用的磁场强度为3.2T,以状态所需的入口总温各不相同,氦气所需的入口总温 酒精燃料燃烧后产生的高温气体为工质,发电机输出要高于氩气,氙气所需的入口总温最低。 Tanaka等射频电磁场可将电子温度提高到8 000 K且能够在较低 的入口滞温（4 000～4 400 K）条件下获得15～20 kW 的输出功率，而没有射频电磁场辅助电离时，发生器 的输出功率几乎可以忽略；连续输入射频电磁功率能 够使非平衡等离子体结构保持良好的稳定性，发生器 的能量转换效率也得到提高。其次，作者还将射频电 磁场辅助电离的盘式发生器和多负载盘式发生器进行 了实验对比。对比结果显示，采用射频电磁场辅助电 离时，霍尔电压明显提高，等离子体结构稳定，而多 负载发生器在高种子电离度和高上游负载时，虽然可 以提高霍尔电势，但是等离子体不均匀，结构不稳 定；在较大范围的种子浓度和负载变化下，射频电磁 场辅助电离可以明显提高发生器性能，与传统盘式发 生器相比，射频电磁场辅助电离的盘式发生器比较适 合在低电压和高电流下运行。 Murakami[100-102]等结合实验和数值模拟，研究了高 能量转换效率的盘式发生器性能，其工质为Ar或Ar￾Cs。实验方面，以纯Ar为工质，当入口总温由7 600 K 逐渐提高到9 700 K，等离子体逐渐从非均匀不稳定状 态转变为均匀稳定状态，此时即便在磁场为0.5 T时， 发生器性能也得到明显提高，焓提取率达到加种子的 水平；当入口总温提高到9 000 K，磁场由0.5 T提高到 1.2 T时，等离子体结构稳定性和发生器性能得到提 高；当入口总温超过9 500 K，磁场超过2 T时，发生器 性能开始恶化。以Ar-Cs为工质进行实验时，测得的入 口总温为2 150 ± 150 K，入口总压为0.20 ± 0.1 MPa， 出口马赫数为2.2 ± 0.1（B = 0 T）或1.0 ± 0.2（B = 4 T）， 霍尔电流为600～700 A，电子温度为4 00～7 000 K （在r = 55 mm处）。数值模拟结果与实验结果保持很 好的一致性。数值模拟结果表明，可以通过采用小扩 张角、均匀强磁场、高电导率等离子体，足够大的压 力梯度来克服紧凑型发生器的缺点，提高发生器性 能，使发生器输出功率密度达到0.76 GW/m3，等熵效 率达到51%，焓提取率达到17%。 2）法拉第型发电 1959年，阿夫科公司建造了功率为11.5 kW的实验 性法拉第型磁流体发电机，这一装置采用3 000 K的氩 等离子体喷流作为工质，通道长宽高尺寸为500 × 75 × 25 mm，通道两侧等距离放置40对电极。由于等离子 体与磁场之间的强烈相互作用，实验观察到了可观的 压力降。1959年后期，阿夫科开始和一些电器企业合 作，建造了一个大型的实验性发电机，其长宽高尺寸 为1 500 × 225 × 75 mm，使用的磁场强度为3.2 T，以 酒精燃料燃烧后产生的高温气体为工质，发电机输出 功率为1.5 MW。1960年，西屋公司也建造了尺寸与阿 夫科公司前期建造的发电机大致相同，但是实验中的 工质为添加了碱金属种子的高温燃气并且采用了耐火 材料，通过这些改变，发生器的运行时间延长到了 1 h左右。1964年，田纳西州的阿诺德科学研究中心在 类似的发电机上进行工作，为风洞提供所需的功率[2]。 Murray[19，103-104]等采用了短时高频脉冲（2 ns，100 kHz， 约10 kV/cm）电离方法、最大6 T的超导磁铁，实验研 究了低温高速来流非平衡电离MHD发生器的性能。实 验结果表明，当磁场强度B = 0 T时，等离子体主要耦 合在边界层上，但是当加了磁场之后，等离子体分布 就向主流区移动，表明磁场在等离子体分布中扮演重 要的角色；采用微波衰减技术测得峰值电子数密度在 5 × 1011~5 ×1012 cm –3之间。俄亥俄州立大学开发了一种 新的非平衡等离子体超音速MHD风洞实验装置，能够 在超音速MHD实验段产生稳定均匀扩散的等离子体 流[105-108]。利用该实验装置，Nishihara[109-111]等对MHD发 电通道进行了一系列研究。在磁场强度为1.5 T，射频 放电功率为500 W时，实验测得的霍尔参数β近似为 3，电导率约等于0.05 mho/m；当洛伦兹力与流动方向 相反时，边界层的密度波动强度增加了10%～20%； 焦耳热对边界层气体密度波动的影响可以忽略不计。 采用激光散射方法对磁场强度为1.5 T，流速为3 Ma的 实验段边界层进行可视化的研究结果表明，随着雷诺 数的增加，边界层流动变得更加混乱，温度波动的空 间尺寸减小，通过激光差分干涉实验测量技术测得的 边界层密度波动结果表明，边界层转戾发生在滞压为 200～500 Torr之间，当洛伦兹力对流体减速时，静压 上升17%～20%，而洛伦兹力对流体加速时，静压上 升仅为5%～7%。当边界层滞压从150 Torr变化到450 Torr时，雷诺数从2.7 × 105变化到8.1 × 105。由美国空 军发起的HVEPS（Hypersonic Vehicle Electric Power System）项目[112-114]，在5年的时间里完成了各种机载高 超声速MHD发电系统集成和运营等相关工程技术的研 究，2006年12月建成了高超声速MHD发电的地面测试 系统，2007年8月成功完成了地面测试实验。 日本对法拉第型发生器的研究也投入了相当多的 人力、物力和财力。Tanaka[115-119]等以激波风洞设备为 基础，实验结果表明，通过提高入口总温可以使等离 子体从非均匀不稳定状态逐渐转变为均匀稳定状态并 提高了法拉第型发生器的输出功率。对于不同的惰性 气体，等离子体从非均匀不稳定状态转变为均匀稳定 状态所需的入口总温各不相同，氦气所需的入口总温 要高于氩气，氙气所需的入口总温最低。Tanaka[120]等 338 深空探测学报 2018年