流动控制技术对于人类的生产、生活具有十分重要的应用价值,在各类军事需求、经济需求的推动下,以科学理论为指导并借助微机电系统、材料科学和计算流体力学的发展,流动控制技术不断取得突破性进步。本世纪初随着X-43A等飞行器的试飞成功,高超声速飞行器的研究进入快速发展阶段,作为高超声速飞行器技术突破的关键环节,新型流动控制技术特别是高速主动流动控制技术的研究与探索具有重要意义。包括零质量、非零质量射流在内的射流式激励器和以直流辉光放电为代表的等离子体式激励器是出现较早且研究最为活跃的两类高速主动流动控制激励器,针对两种激励器的研究积累了丰富成果,等离子体合成射流激励器正是在这两类激励器基础上出现的交叉融合,由于兼具射流式激励器诱导射流速度高、穿透能力强以及等离子体式激励器响应速度快、无活动部件或流体供应装置、激励频带宽的优势,在高速流动控制领域展现出良好应用前景,极有可能成为高速流场主动流动控制技术从实验室走向实际工程应用的突破口。为了推进等离子体合成射流激励器流动控制实用化水平的提高,本文以实验手段为主,结合一定的理论分析和数值模拟,开展了等离子体合成射流激励器工作特性和超声速/高超声速流场激波控制特性的研究,针对其所面临的三大应用难题——能量效率问题(长时间周期激励问题)、阵列协同问题(大空间尺度激励问题)和高空稀薄气体环境适应性问题(宽领域范围激励问题)分别开展了相关研究,旨在突破等离子体合成射流技术在实际中的应用,增强其在高速流场主动流动控制领域的应用优势。为了实现激励器长时工作并降低电源系统体积重量,开展了等离子体合成射流激励器完整能量传递过程分析和能量效率计算,典型工况总能量效率约为11.3%,其中放电、加热及喷射各过程的转化效率分别为40%、64%和44.2%。由于放电过程处于能量传递路径的上游,因此附加电阻带来的损失较为显著,在等离子体合成射流的能量构成中,射流热能占据主体,占比超过90%。“大电极间距、小电容容量”的参数匹配对于提高放电效率和加热效率均有帮助。首次开展了新型自增压式头部逆向喷流等离子体合成射流激励器工作特性及其钝头体头部激波控制和减阻特性研究,与静止环境或横向射流激励器特性不同,逆向喷流激励器在一次放电后可以产生较明显的多级射流,有利于延长单次放电后激励作用的时间。由于作用范围的不同等离子体合成射流与头部弓形激波存在局部凸起和全局覆盖两种典型的干扰模式。实现了对钝头体的有效减阻,马赫3条件下钝头体峰值减阻率约70%,单次放电最大减阻收益5.35 J。开展了低频大能量、高频小能量横向喷流等离子体合成射流激励器激波控制特性研究。首次采用高频脉动压力测量手段获得了受控斜劈激波波后壁面压力变化,实现了低频大能量射流对激波的显著弱化,马赫3条件下斜劈壁面压力最大降低79%。实现了2500赫兹高频小能量射流对激波非定常性的调制,且受控激波摆动幅度扩大3.6倍。首次开展了等离子体合成射流高超声速流动控制实验研究,对于头部逆向喷流激励器,高超声速来流在头部的滞止作用使得激励器具有自增压特性,因此其构型可以沿用超声速流场相同激励器,结果表明头部逆向喷流激励器在马赫数增加后的高超声速流场中可以延续其优良控制特性,并且由于头部激波的脱体距离随着马赫数的增加而减小,逆向喷流对于激波脱体距离的增大效果更为显著,在最强干扰时刻头部激波脱体距离增大约4.6倍(超声速条件下最大为3.2倍)。为了克服高超声速流场低静压稀薄气体环境问题,基于高超声速流场能量综合利用的思想,设计了两种不同增压方式的新型等离子体合成射流激励器,即集气腔(间接)增压式、冲压进气道(直接)增压式激励器。集气腔增压式激励器低压仓原理性实验表明射流峰值速度由256 m/s提升至507 m/s,表明腔体增压对激励器控制力具有显著提升作用,高超声速风洞实验结果表明,在82 kPa增压压力条件下,等离子体合成射流最大使得25度斜劈激波角度减小约3°。冲压进气道增压式激励器实验结果表明,对于无台阶和6 mm高度台阶激励器,腔体增压比分别约为4.72和7.69倍,由于分离激波和背风斜面使得射流出口附近流速降低,因此射流的穿透能力和对主流的干扰作用显著增强。实现了两电极等离子体合成射流激励器串/并联协同阵列工作。串联式激励器阵列,电源结构简单、易实现轻小型化,放电效率基本与单个激励器相同。串联式阵列击穿放电机理源于直连-悬浮电极的预放电诱导作用,击穿电压取决于总电极间距,随着出口间距的减小,射流卷吸作用增强,速度提高。并联式激励器阵列各个激励器的开闭状态、工作频率、工作相位等都可单独控制,因此其控制特性更加灵活、控制效果更为可控,激励器相位差工作特性可以克服由腔体回填较慢带来的流激励器“饱和频率”限制,实现激励频率的倍增。