题目：磁控超燃冲压发动机控制机理及性能研究

本文致力于研究磁流体流动技术的控制机理与实际性能，通过数值模拟与实验演示方法，探寻MHD流动控制技术与吸气式高超声速动力推进技术的结合点，缓解超燃冲压发动机发展过程中遇到的难题。MHD流动控制过程依赖于高速运动的等离子体与外加电磁场之间的相互作用。提高等离子体流动速度、强化等离子体电离特性和配置适当的电磁场是决定MHD流动控制效果的三要素，其中前两者属于本文的研究范围。显然，高超声速动力系统在第一要素上具有先天优势。就第二要素等离子体（包括热平衡态和非平衡态）的电导率而言，当飞行器飞行速度Ma<10时，很难形成满足MHD流动控制所需的热平衡态等离子体。因此，高效地营造非平衡态等离子体环境是应用MHD流动控制技术的关键问题，本文重点研究电子束诱导等离子体和种子诱导等离子体两类方案。

首先，本文开展了超声速/高超声速流动数值模拟研究，利用异侧交叉斜激波相互作用和双模态冲压发动机进气道两个案例，通过对比数值模拟结果与实验数据，检验了数值模拟方法的可靠性。随后，分别对超燃冲压发动机主要部件（进气道，燃烧室和尾喷管）数值模拟，分析主要部件流场特性，为超燃冲压发动机整体性能分析和下文磁控进气道研究做好了铺垫。

其次，基于“forward-back”分析方法，评估了电子束诱导来流空气电离的实际效能，建立了MHD流动控制数学模型，并将其引入楔形体绕流和超燃冲压发动机进气道流动过程中，实现了流动特性与MHD控制的耦合模拟。主要结论如下：（1）利用电子束诱导磁控区域内空气电离，可以形成电导率在10~102量级的等离子体（电子束初始参数eb=10KeV，jb=1A/cm2）；（2）将电子束诱导电离方式引入超燃冲压发动机进气道斜激波控制过程，MHD流动控制效应诱发形成的斜激波，将抬升原始斜激波波面位置，使进气道斜激波系在非设计状态下接近SOL准则，进而提高发动机净推力。

再次，基于化学平衡态和冻结态假设建立了燃气等离子体电离特性计算方法。考虑了碱金属碳酸盐和液态金属两大类电离种子（如K2CO3, Cs2CO3 和Na22K78），讨论了背景环境（如温度、压力等）、种子质量分数等因素对诱导电离过程的影响，并拟合出种子诱导等离子体电导率与温度的定量关系。计算结果表明：（1）碱金属碳酸盐和液态金属两类电离种子均可以强化高温气体电离特性。在通常的2200K高温条件下，种子诱导等离子体电导率在1~10S/m量级；（2）本文建议使用Cs2CO3作为电离种子，这是因为其良好的诱导电离效果和稳定的化学特性。

最后，本文开展了MHD流动控制及能量提取实验研究。搭建了由高温燃烧室、MHD流动控制系统和电离种子流化系统组成的实验平台。通过向燃烧室内注入Cs2CO3电离种子，形成燃气等离子体；燃气等离子体经喷管加速流入MHD实验段，进行相关实验研究。实验表明：（1）燃气等离子体射流偏转效应与MHD实验段上下电极板的动态电压信号证明：Cs2CO3电离种子在1173K温度附近已经诱导燃气发生电离；（2）对高速燃气等离子体射流，单独添加外加磁场可以实现MHD射流偏转控制和能量提取过程；单独添加外加电场可以实现MHD射流偏转控制和加热膨胀过程；同时配置外加电场和磁场可以MHD流动加速过程。

本文的创新点有三：一是发展了定量评估人工诱导等离子体电离特性的计算方法，二是实现了耦合模拟超声速/高超声速流动与MHD流动控制过程，三是搭建了MHD流动控制及能量提取实验平台。