哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
随着各国航天事业的不断发展，继“热障”“声障”后的“黑障”成为了
新的挑战。目前地面黑障区模拟试验装置主要为大型高能等离子体风洞，它们
存在着模拟效果差、实验周期长和实验成本高等问题。因此，为初步筛选飞行
器材料并进一步认识高超声速风洞，本文研究了以射频离子源为核心的小型来
流模拟装置。
首先，面对来流模拟需求，完成了电离室内直径10cm的射频离子源材料
选型和结构设计，对四种匹配网络进行仿真分析，通过实验结果确定采用T网
络实现10cm射频离子源可靠匹配。建立射频感应放电、等离子体诊断实验平
台，成功实现了Kr和N2工质下的射频放电。
其次，总结了用于评估来流模拟装置性能的参数，通过实验测试分析了
Kr工质下10cm射频离子源的放电特性和热特性，给出了一个来流模拟装置长
时间工作的冷却方案。实验研究表明：在功率水平为百瓦时，增加引出电压、
馈入功率和流量均可以提高离子电流，此时等离子体密度可达到1015m-3量级。
180W射频放电功率下，热流密度最高可达2500W/m2。通过线圈内冷却剂的
对流换热可以保持射频天线工作温度始终处于300K之下。
再次，针对10cm射频离子源无法长时间运行的问题，利用了4cm射频离
子源评估感应耦合来流模拟装置的放电特性和热烧蚀能力。结果表明：离子电
流随着流量的增加而增加，随频率的增加而降低。等离子体羽流对金属靶材具
有侵蚀能力，但短时间内对硬质材料的侵蚀不明显。增加气体流量和引出电压
都能提高热流密度。50W射频放电功率下，热流密度最高可达2700W/m2。正
交实验分析得出的结论与控制变量法相同，验证了其在来流模拟装置实验中的
可靠性。
最后，分析来流模拟装置的实验结果，仿真研究了15kW和100kW功率
水平下射频离子源放电特性，设计了适用于大功率来流模拟装置的自动匹配链
式T—LC网络和人工调节链式LC网络，讨论了磁喷管作为引出方案的可行性。
仿真分析表明，在15kW功率水平下，随着气流量的增加，射频离子源的出口
速度增加，而出口温度减少；而在100kW功率水平下，射频离子源的出口速
度和出口温度随气流量的增加而增加，射频离子源具有模拟黑障区来流的能力。
关键词：黑障；N2放电；射频离子源；大功率模拟分析
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofthespaceindustryofvariouscountries,
theblackbarrierafterthermalbarrierandsoundbarrierhasbecomeanew
challenge.Atpresent,large-scalehigh-energyplasmawindtunnelsarethemain
devicesforsimulatingblackbarrierareasontheground,whichhavesome
problemssuchaspoorsimulationeffect,longexperimentperiodandhigh
experimentcost.Therefore,inordertopreliminarilyscreenaircraftmaterialsand
furtherunderstandhypersonicwindtunnels,asmallincomingflowsimulatorwith
RFionsourceasthecoreisstudiedinthispaper.
Firstofall,facedwiththedemandofincoming