1 引言

早在一百多年前内燃机和火花点火系统诞生之时便出现了燃烧学与等离子体动力学的首次交叉应用，并基于同样的原理在不同的应用领域沿用至今^[1]。等离子体辅助点火和燃烧作为一项极富前景的先进燃烧控制技术，通过对化学反应途径的调节可望实现燃烧过程的高效、快速、低污染等多项综合性能指标要求^[2]。近年来随着航空航天领域高超声速推进技术的飞速发展和化石能源利用领域节能环保限制的日益严格，燃烧发生的流场环境向速度极限、浓度极限、压力极限等极端条件逼近的趋势愈加明显。这也由此催生了对极端气流条件下先进燃烧控制技术的迫切需求，燃烧学与等离子科学的融合又一次焕发新的生机。

目前针对放电物理过程及其对点火燃烧动力学的影响已获得了大量的研究数据。这些基础研究主要基于可控的放电环境和简化的理想均质条件，开展诸如定容弹、流动反应器、激波管、射流火焰、对冲火焰等的基础燃烧试验测量和效果验证，并已建立了等离子体化学动力学的初步理论框架，人们对于等离子体点火助燃机理的认识不断增强。对放电物理过程的分析表明，能量沉积的大小取决于包括电流脉冲持续时间、放电电流、气态密度、气态温度等在内的气体放电参数；维持不同的约化场强条件，放电能量将沉积在分子的不同自由度能级上；非平衡等离子体的点火助燃效应与放电过程中产生的活性粒子有关，对于燃料/空气可燃混合气中的等离子体点火助燃，最有效的是氧原子，同时一些中性原子和自由基也在一定程度上发挥作用^[1]。

为促进等离子体在真实能源系统中的应用，已开展了大量的模型燃烧室验证试验。结果表明在解决先进发动机面临的关键燃烧技术时，等离子体将发挥极大的技术优势，如可用于解决超燃冲压发动机的加速燃烧问题，缩短燃料点火延迟时间，提高火焰稳定工作特性；可用于航空发动机高空点火或贫油低污染设计，提高燃料点火压力边界与火焰浓度边界；用于内燃机稀薄燃烧低排设计，控制燃烧过程；用于爆震发动机辅助爆燃向爆轰过程转换，缩短燃烧室工作长度。但遗憾的是，不管在工业界或航空领域，都还未出现基于等离子体的新式燃烧控制技术的规模应用。这由两方面原因所致：从基础研究角度看，人们对于何种等离子体适于何种气流燃烧环境仍无法给出确切的答案；从技术发展角度看，等离子体以何种方式能够以最大的能效比作用于燃烧过程仍不明晰。

目前看来，至少有热力学、动力学、物质输运三种机制可实现对燃烧过程的调控。图 1给出了等离子体与燃烧相互作用的主要方式。等离子体放电产生电子、离子、激发态分子、活性基、长寿命中间产物、裂解态小分子燃料，并伴随着热的产生。在热力学增强途径中，等离子体提高温度，提高阿累尼乌斯化学反应速率和燃料氧化速率；在动力学增强途径中，等离子体产生高能电子和离子，通过直接电子碰撞解离、离子碰撞与复合解离(例如O₂⁺，N₂⁺)、反应物与电子激发态(如N₂*，O₂(a¹Δg))、振动激发态分子(如N₂(υ))的碰撞解离等一系列碰撞过程产生活性自由基(如O，OH，H)，等离子体放电过程产生的较长寿命组分(如O₃)和催化中间组分(如NO)加速低温燃料氧化；在物质输运增强途径中，在梯度效应、库伦力、洛伦兹力的共同作用下，可改善燃料输运率，产生离子风、激波流场扰动、瑞利不稳定性，改变局部流场，增加流动湍流度和强化燃料混合，进而改善燃烧过程。实际助燃过程中，三种增强途径经常耦合在一起，机制之间难以区分，如加速燃料氧化这一动力学增强过程加速了热量释放，从而进一步增强了热效应，同时热力效应也会加速动力学过程。类似的，动力学效应和热效应也同时受到等离子体放电导致或改变的分子和对流输运特性。正因为如此，使得“何种等离子体适于何种气流燃烧环境”问题悬而未解。

对于超声速燃烧的高速对流环境，强湍流、运动激波、大尺度涡、流动分离、可压缩性等各种复杂流动现象的存在，使以上两个问题更加突出。尽管高速流动条件下的等离子体燃烧控制一直以来被研究者重视和关注，但以航空推进应用为背景的高速气流强对流条件下等离子体与燃烧相互作用的研究框架还远未建立。一方面，简化的试验工况无法完全复现真实燃烧室工作的全部物理现象，高速气流中的扩散燃烧过程参数变化范围大，影响因素更加复杂；另一方面，等离子体和燃烧室之间存在相互作用和耦合设计问题，等离子体类型的选择及其参与燃烧过程的方式直接影响着等离子体的效能发挥。目前，等离子体应用于高速气流应用研究涉及多种类型，如等离子体炬、弧状流光放电、纳秒脉冲放电、亚临界微波放电、激光诱导点火等^[3]。这些等离子体类型在能量分布特征、放电结构、工作方式等方面各不相同。为发挥各自的优势，需要从调控机制、燃烧室结构相容性和能量效率方面综合考虑。

本文将在对等离子体点火助燃基础研究所取得的成果进行简要回顾的基础上，对基于等离子体的燃烧控制技术在高速气流中的应用研究进行总结和评述，分析各种等离子体技术在高速气流燃烧工程应用的特点及其限制性因素，为今后的基础研究和技术发展方向提出了建议。

2 等离子辅助燃烧控制机制及其在高速气流中的应用分析 2.1 基础研究概况与发展

燃烧作为一种快速的能量释放过程，涉及流动、传热、传质、化学动力学等多种过程。等离子体作为物质的第四种状态，给燃烧过程调控带来了新的维度。过去几十年中，各国学者对等离子体燃烧应用中涉及的基础科学问题进行了持续关注。

等离子体放电产生的各种活性组分对化学反应途径的作用机制是等离子体助燃研究的关键所在。链式反应动力学的Semenov理论提出于1928年的前苏联时期，这为俄罗斯在等离子化学动力学研究的领导性地位奠定了基础^[4]。

早期等离子体点火助燃研究的焦点在于区分等离子体放电过程中热力作用和非平衡组分活化作用对链起始反应的影响。基础研究过程中，通过设计独立增强途径的可控实验平台是等离子体助燃试验研究开展的主要途径。纳秒脉冲放电作为一项重要的非平衡等离子体发生技术被大量应用于基础研究中。俄罗斯学者采用激波管作为研究平台，通过纳秒脉冲放电产生大体积均匀分布的等离子体，获得了等离子体非平衡效应在缩短点火延迟时间方面的大量试验数据^[5]。纳秒脉冲放电在反射激波后激发，对自点火情形和有无非平衡纳秒放电影响下的点火延迟时间差异进行比较。在临界温度附近的初始温度条件下对数十种不同的可燃混气(从氢气到戊烷)进行了研究，提出了相应的动力学机理，并开展了数值模型对比验证^[6]。

俄罗斯莫斯科物理技术研究院Starikovskaia教授于2006年系统总结了非平衡等离子体在点火燃烧增强方面的应用^[7]。作为该领域第一篇综述性文献，文章对比分析了不同放电方式(流光放电、纳秒脉冲放电、阻挡介质放电、射频放电、大气压辉光放电)下的约化场强、电子数密度以及能量分布特性，比较了非平衡等离子体在链式点火和热点火效率方面的差异，并建议对放电中产生的不同粒子进行分类，分析其在随后发生化学反应中的作用。

随着等离子体研究应用的不断扩展以及能源系统对先进燃烧技术发展的迫切需求，等离子体与燃烧交叉融合不断深入。出版于2010年的书籍首次将等离子辅助点火和燃烧作为一项先进燃烧技术纳入燃烧学发展的范畴^[8]，论述了该技术对于改善燃烧过程的广阔前景；发表于2012年的等离子体物理学科进展评述中^[9]，等离子体燃烧应用作为关键的15个主题之一被重点提出，指出未来该领域的研究需求和发展方向：在低的气态温度、局部当量比、高压下，并考虑放电和燃烧化学共同影响，发展详细的等离子体燃烧化学反应机理。

Starikovskiy与Aleksandrov于2013年合作发表的综述文章，针对等离子体与化学动力学相互干扰、能量再分布、燃烧的非平衡等离子体激发方面的最新进展做了最全面的回顾^[1]。文章论述了等离子体辅助燃烧的放电能量分支特性与电子能量函数形成过程以及等离子体与火焰相互作用；考虑了不同能量电子之间碰撞、激发、解离、电离、复合等能量弛豫过程对化学反应路径的影响，以及三种不同初始温度(室温、低于自点火临界温度、高于自点火临界温度)下等离子体对可燃混气的影响。文章对等离子体点火助燃面临的挑战进行了梳理，认为尽管在等离子体化学动力学的关键数据参数方面存在缺失，但仍可以认为在较宽的等离子体和气体参数范围内，等离子体点火助燃的主要机理已经得到了很好的建立，这些结果为利用非平衡等离子体方法对包含内燃机和航空发动机在内的各种不同能量转化燃烧系统的性能改善奠定了基础。

随着等离子体器件技术和先进光学诊断研究的深入，特别是放电参数可控的纳秒脉冲电源技术的发展，大量不同环境条件下等离子体活性粒子产生过程的试验测量和数值模拟工作不断涌现，2014年Starikovskaia进一步归纳和分析了该领域获得的最新研究进展，重点关注了不同结构下的纳秒脉冲等离子体放电激发、维持下的点火助燃结果^[10]。作者指出了纳秒脉冲放电在活性组分选择性激发上对等离子体化学动力学研究的一些优势，并讨论了利用该技术建立等离子体点火助燃机理的可行性和必要性。由于大量文献研究结果分散在不同的参数条件，作者指出了统一研究条件的重要性，并整理了各种等离子体燃烧应用的点火助燃敏感参数区域，推荐了压力和温度参数图谱，对不同研究者所获得的点火延迟时间、点火长度、中间组分密度等数据进行了归纳整合。

美国俄亥俄州大学非平衡动力学实验室也是等离子体燃烧和流动控制基础研究中的重要力量，对等离子体的非热和热效应对等离子体助燃和高速流动控制的影响开展了大量研究。Adamovich教授发表于2009年的综述文章对其团队在2005~2009年开展的均匀低温纳秒脉冲点火和脉冲局部电弧流动控制方面的试验和数值工作进行了总结^[11]。该研究团队还在低压流动反应器中对低速流动预混气进行了点火试验，测量不同放电参数和流动条件下的点火长度。2015年Adamovich基于所开展的试验和数值研究的结果，针对等离子体燃烧模型在定量预测分析方面的需求，指出在以下几个方面基础研究仍面临挑战^[12]：电场和电子数密度的测量和预测；温度和振动能量水平的测量和预测；激发态组分和自由基对化学链式反应的影响；等离子体点火助燃反应动力学机理的发展；等离子对非预混湍流火焰和可压缩反应流的影响。

2015年，普林斯顿大学Ju Yiguang教授利用最近的实验结果从燃烧理论、火焰动力学、化学和先进诊断技术方面对等离子体辅助燃烧的进展和挑战进行讨论^[2]，总结了在非热及热增强效应、氧原子产生的动力学路径、电子及振动激发态组分的诊断、爆炸极限下等离子体辅助点火燃烧动力学、等离子体辅助低温燃烧、传统点火S曲线的火焰转变、最小点火能量动力学、以及非平衡等离子体放电的输运特性方面的诸多进展。Ju Yiguang教授认为过去几十年中等离子体燃烧基础研究在四个领域取得的突破尤其值得关注^[13]：(1)发现了等离子体对于爆炸极限、发动机贫油燃烧极限和火焰贫油吹熄极限的显著扩展作用。(2)增进了等离子体辅助燃烧动力学过程的基本理解，氧气分子与热电子、激发态氮气、离子碰撞产生的氧原子是低温等离子体助燃过程中自由基产生的主要途径。(3)等离子体有助于低温燃烧的冷火焰形成，能够实现没有熄火极限的火焰直接点火过渡。(4)获得了等离子体对于降低强迫点火最小点火能量的理论认识。

Ju Yiguang团队的研究更加注重从基础燃烧理论模型上去分析等离子体的影响。其团队设计了一种集成了等离子体发生器的对冲火焰燃烧系统^[14]，以解耦的方式研究了等离子体通过不同效应对燃烧产生的影响，用于研究等离子体对火焰临界点火/熄火响应特性的影响，这对于揭示对流作用下的等离子体助燃机制具有重要意义。

综合以上等离子点火燃烧方面的研究内容来看，致力于探求“何种等离子体适合于何种气流环境”，离子体点火助燃基础方面研究呈现以下几个特点：(1)通过采用人工预设边界条件的方法，通过均匀的放电条件和可预测的气流环境条件相结合，建立了非平衡等离子体放电动力学与化学动力学相互作用的基本理论框架，为发展数值预测模型奠定了良好的数据基础。(2)从早期的点火延迟时间、火焰传播速度、点火火焰稳定边界测量的效果验证性研究，逐步深入更加注重等离子体放电对燃烧火焰动力学模型的修正，丰富了燃烧学理论研究的内容。(3)研究平台的参数范围进一步扩展，与实际工程应用气流参数环境的贴近更加紧密，区分了不同压力、温度下的等离子体辅助燃烧的机制与效能发挥问题。

从目前基础研究进展可以看出，以等离子体作为能量载体控制燃烧过程，其中蕴含的物理机制已从燃烧动力学的角度上得到了很好解释。所开展的多种等离子体在高速燃烧应用研究中，虽然仅对流场特征和局部宏观性能参数给出了初步验证，细致的定量结果尚缺乏，但是仍然揭示了等离子体工程应用方面的巨大潜力^[15]。

与此同时，对于等离子体与燃烧间的许多相互作用内在机理上仍然不清楚，现有的等离子体机理还无法在实际应用中得到广泛验证。因此未来还需要在实验方法、动力学机理、数值模拟以及诊断测量方面做进一步发展。等离子体在理想条件下基础研究的开展无疑为等离子体辅助超声速燃烧机制的认识奠定了基础，高速流动的气流环境为等离子体点火助燃能效的发挥带来了新的挑战。

2.2 高速气流燃烧应用特点及研究方法

吸气式高超声速推进技术对快速燃烧的应用需求是等离子体点火助燃研究的主要背景之一。超燃冲压发动机在高速气流中组织燃烧面临着喷注、混合、点火、火焰传播、火焰稳定诸多难题。尽管流动条件下的等离子体燃烧模型在基础研究中已开始得到关注，但在超声速燃烧的应用背景下，如何发挥等离子体在非预混、强对流和湍流等极端工况气流条件下的效能仍面临不少问题。

对于典型的工作于Ma4~8范围的超燃冲压发动机，工作过程涉及到启动、巡航两种工况变化和多种燃烧模态之间的过渡转换。来流静压为0.04~0.08MPa，来流静温为500~950K，气流速度为0.9~1.6×10³m/s，燃烧的温度为500~3000K，气体粒子数密度范围：10¹⁷~10¹⁸cm^-3。等离子体放电对宽气流参数范围的适应性问题随之而来。理想条件下的火焰实验已经覆盖了实际燃烧应用的大部分参数范围。基础研究结果已经表明了不同的初始温度和压力下的等离子体参与燃烧过程的差异。图 2为不同研究单位针对内燃机和燃气轮机燃烧所开展的模型试验中所涉及的温度压力参数范围。不同参数条件下，等离子体助燃效能的发挥存在一定差异，因此理想实验条件所获得的研究结论是否可直接外推至强对流工况，是否需要修正，仍有待于进一步检验。与此同时，在各种复杂流动现象如强湍流、运动激波、大尺度涡结构、流动分离、可压缩性、液体燃料雾化蒸发等的影响下，等离子体如何在缩短点火延迟时间和混合增强上发挥作用的物理机制尚未明晰。因此，超声速冲压燃烧参数条件下，在如此宽的参数范围内如何辨明等离子体对于强迫点火和自点火的增强机制，如何区分等离子体的点火和助燃功能，如何对等离子体参数的优化选择，这一系列问题的解决亟待未来基础研究结果作为支撑。

对于以非预混燃烧为特征的超燃冲压燃烧室，等离子体系统与燃烧室的耦合设计同时需要考虑结构相容和功率匹配问题。以超燃燃烧室的常规构型为基础，等离子体作为附属系统，等离子体能量的添加方式涉及多类型之间的权衡：是添加在空气侧，还是燃料侧；是通过在线方式添加，还是离线方式添加；是连续添加，还是以脉冲方式添加。这些都将影响等离子体能效发挥和功率需求。

图 3为Leonov提出的等离子体应用于超燃冲压发动机的几种典型燃烧增强作用方式^[16]。第一种方式为预混气的点火，用于模型测试和非平衡等离子体辅助火焰传播的理论分析；第二种方式直接在壁面布置电极，放电过程直接作用于燃料射流；第三种为等离子离线式射流生成喷注方式，其喷注位置选择仍受燃料混合过程的限制；第四种方式在等离子体炬中加入部分燃料扩大射流功率和工作范围。总体来说，对于电极放电方式，由于空间位置的限制，等离子体作用区域局限在边界层附近，等离子体方案的设计仍然受燃料混合扩散过程限制。

非平衡等离子体可通过无极放电的方式在空间产生，且非平衡等离子体相比于平衡等离子体在活性基团的激发方面具有相对高的能量效率，为实现空间体点火提供了一条绝佳的途径，如微波点火和激光点火。但与理想实验条件不同，目前来看采用冷等离子体实现大面积的体点火，能量供给仍然是个挑战。等离子体中的分子能量载荷ε可由下式计算^[17]

$ \varepsilon = \alpha W = \frac{{\alpha {{\left( {E/N} \right)}^2}{e^2}}}{{m{k_{{\rm{en}}}}{k_{{\rm{diss}}}}}} $

(1)

式中E为电场强度，N为气体数密度，W为自由基能量消耗，e和m是电子电荷和质量，k_en是电子-分子碰撞速率常数，k_diss是有效电子碰撞离解速率常数。在传统的放电中，如射频放电或流光放电中，E/N~30Td，电子温度约1eV，功率输入大部分传输至分子激发态的振动能级。这些等离子体中的自由基能量消耗最少为100eV，ε=0.1~0.3eV/molecule=0.33~1MJ/kg。该能量量级与高焓流动焓相当，如在Ma=5~7条件下燃烧焓值为1.5~2.5MJ/kg，单位截面积的能量传输功率为100MW，显然能量成本不可接受。

Macheret提出了一种通过能量脉冲时间、空间调制的多点、脉冲式能量添加方法实现空间火焰衔接的设想，以减低对能量载荷需求^[17]。相比于平衡等离子体，非平衡等离子体系统的放电结构复杂度有所增加。通过两种放电类型等离子体的组合，各自发挥优势是一个重要的发展方向，如利用平衡等离子体控制温度，利用非平衡等离子体控制电子温度的等离子体组分主动控制技术。

等离子体通过多种途径作用于燃烧，似乎是燃烧过程控制的“灵丹妙药”，但高速燃烧应用中的多物理场耦合特性，却给燃烧控制效果的预测带来了极大难度。从N-S控制方程建模角度看，根据复杂程度，等离子体可从边界条件、源项、控制项三个层次对燃烧流动过程介入。第一个层次忽略等离子体放电过程，划定等离子体放电与燃烧流动边界；第二层次，等离子体直接作用于化学反应源项，影响化学反应途径；第三层次最为复杂，综合考虑电场、磁场、流体运动、化学反应之间的耦合作用。当前，第一层次是工程上处理等离子体对燃烧流动过程影响的常用建模方法，假定等离子体产生长寿命活性自由基以离线方式作用于燃烧流场，宏观上获得等离子体对点火延迟时间、火焰传播速度的影响。第二层次主要表现为等离子体的化学动力学效应，目前研究最为广泛，已经获得了非平衡等离子体增强化学反应路径方面的大量基础数据，但是系统中从粒子碰撞弛豫到链式传播反应之间涵盖了从纳秒到毫秒量级的大范围时间尺度，且各种粒子碰撞基础数据、低温反应、碳氢燃料反应机理数据缺失，针对该层次的定性定量理解还未完全实现。第三层次涉及到多物理、多尺度、多参数的多维物理问题。对于高速流动，计算上难度太大，当前仅能在流动分离控制、边界层转捩、流动减阻等流动控制问题上进行一些初步的模型求解^[18]。

当前，由于等离子体、流动、燃烧过程的高度耦合，尚未有等离子体提升发动机综合性能方面的可靠数据。通过对等离子体高速气流研究各个侧面数据的归纳总结，将有助于弥补这一缺憾。下面将从对一些具体的研究应用案例对等离子体高速气流燃烧应用进行梳理和评述。

3 高速流中的各类等离子体燃烧控制技术研究评述 3.1 等离子体炬点火

等离子体炬是目前离子体点火助燃应用最成熟的技术，在航空发动机高空再点火、燃气轮机贫油燃烧、工业锅炉煤粉点火等领域发挥着独特的技术优势。等离子体炬利用交流或直流电弧放电，对工作气体加热，产生高温、高压的等离子体射流，其中至少蕴含热效应、自由基活化、气动混合增强三种强化机制。等离子体炬在超燃冲压发动机中的应用同样也受到了广泛关注。在超燃冲压发动机的启动工况下，来流温度较低，燃料无法自点火，需借助外加能量促进预燃激波串的形成。持续工作的等离子体射流可用于辅助强迫点火和火焰稳定。采用等离子炬射流方式点火，相比于常用的气动壅塞、燃烧热射流、添加活性燃料等方式，等离子射流点火具有系统结构简单、布置方式灵活、点火能量可控、可实现多次重复工作等优势^[19]。

等离子炬一般采用涡流稳弧设计，以超临界方式工作，内部电弧工作状态不受外部气流环境的影响。等离子体功率、等离子体喷口结构、等离子射流与燃料射流之间的相对位置、点火能量、工作气体种类是控制点火过程的关键参数。针对航空机载应用环境，需要开展轻量小型化及其与燃烧室工作过程的匹配设计。各国研究者在超燃冲压发动机典型的启动工况下，对等离子体炬的点火性能进行了大量性能测试和优化工作。

俄罗斯莫斯科高温气体研究院很早就开展了对等离子体炬在超声速气流中的辅助燃烧应用研究，关注了等离子体射流点火时的与横向气流相互作用问题^[20]。图 4为等离子体以核心温度6000K射流850m/s的速度横向注入Ma=2，静温167K的超声速主流时的等离子体火焰扩散结构。从图中可见，等离子体高能射流覆盖的区域面积较大，有利于促进与燃料的混合和点火^[21]。

日本东京大学Takita团队对Ma=2气流条件下的等离子体和燃料前后布置的横向射流超声速点火和火焰稳定性能进行了系统研究^[22~24]。研究内容主要聚焦于不同的射流安装位置与工作气组分(Ar，O₂，N₂，H₂，CH₄)构成对活性基团形成的影响，及其对气态小分子燃料(H₂，CH₄，C₂H₄)点火效果验证^{[25, 26]}。所使用的直流等离子炬工作气体流量1.1×10^-2mole/s，功率范围1.5~3.5kW，采用水循环对电极进行冷却。图 5为试验装置示意图与双等离子炬点火时的流场纹影结构图^[27]。通过测量的点火射流流场结构和燃烧室静压分布，作者从机理上阐明了等离子体射流的活性基团活化效应和混合增强效应对燃烧的影响^[24]。

美国弗吉尼亚技术大学与美国空军合作，针对超燃燃烧室启动工况下的低温点火应用环境，开展了等离子体炬与燃烧室的组合设计工作，对采用等离子体与气动斜坡喷注器的点火助燃组合方案进行了研究^{[19, 28]}。利用气动斜坡形成的对转涡结构强化燃料混合，并与下游等离子体射流相互作用实现点火和火焰稳定^[29~32]。该技术相比于凹腔、支板等燃烧室辅助构型具有较低的总压损失特性。在等离子体功率0.6~7kW下，针对功率源类型、喷注器结构、工作气种类、流动条件等不同因素开展了大量试验，特别是针对液态碳氢燃料应用，提出了集等离子体/气动斜坡/燃料喷注/再生冷却功能于一体的点火助燃技术^[33]。

美国应用等离子体公司针对航空应用环境，研制了系列化的适用于机载条件的轻量小型化等离子体点火器^[34]。功率范围400~1200W，能量效率大于90%，等离子体空气流量：0.25~1.0g/s，等离子体射流出口压力：0.1~0.8MPa，直流等离子体电流：2~10A。该公司同时发展了等离子体工程应用设计方法，解决了等离子体参数宽范围调节和电极长寿命工作问题，商业前景广阔。

从以上论述可以看出，等离子炬作为一项已经发展较成熟的技术，在解决超燃冲压发动机低温启动问题上具有一定的技术优势，所开展的大量原理性验证试验也已经证明了其有效性。未来一方面需要从燃烧强化机理角度获得等离子体射流与超声速气流的相互作用过程^{[35, 36]}，另一方面需要从工程应用出发，使该技术与燃烧室结构和燃烧组织过程相结合，进一步优化设计，发挥更多潜在功能，如前述所开展的基于等离子体部件的功能一体化工作。更进一步，可从发动机总体出发，充分利用等离子体可控、可重复多次使用的特点，发挥等离子体在发动机转工况和非设计工况下的火焰稳定辅助功能，使等离子体系统在巡航工况下发挥辅助燃烧优势。

3.2 弧状流光放电

利用直接暴露于燃烧室内的电极，在线产生弧状流光放电是等离子体作用于高速可燃气流，实现点火助燃的另一种方式^[37]。由于放电通道和流场之间的耦合作用，放电与流体运动相互作用过程非常复杂：放电通道受来流冲刷作用进而影响电弧形态及其形成过程；电弧局部热效应诱导的激波同时又对流场施加影响。电弧放电产生平衡等离子体，但是在高速气流中，气流对放电空间的冲刷和冷却，表现出滑移弧放电特征，放电过程以振荡的等离子体丝状流光放电形式出现，并受流场不稳定性特征的影响。图 6为高压直流激励下的弧状流光放电位于不同流场区域时的放电特征。从图可见，弧状流光放电发生于凹腔区域时，在凹腔流场振荡耦合作用，放电丝呈现出伴随气流运动的扭曲振荡特征。相比之下，后向台阶处的放电丝形态较为稳定。后向台阶和凹腔中放电的气流动力学特性研究表明，弧状流光放电与气流的相互作用诱发更强的湍流，同时使分离区体积有小幅增长。

高速流动下弧状流光放电点火助燃的控制机制通过局部气体的过度加热、放电诱导冲击波、光解离和光电离、干扰区域的流动分离起作用。主要表现为：大尺度非稳态结构和局部加热、光电离、燃料氧化将会促进点火和燃料混合；通过放电诱导局部不稳定分离，形成回流区，增加燃料的停留时间，用于火焰稳定；形成的局部激波结构，可对燃料进行加热^[38]。

Leonov及其团队针对超速气流中的弧状流光放电增强点火和混合过程开展了大量的试验研究，获得了不同的电极布置方案下的滑移弧动态生成特征及其对扩散燃烧火焰的影响。燃烧过程通过壁面附近的弧状放电进行启动和维持。放电过程以振荡的等离子丝状放电出现。等离子放电首先在电极附近击穿，之后向下游传播，并重新起始于电极附近。放电振荡的频率与流动速度、内电极间隙、电源功率供应参数有关。试验验证结果表明主要有三种机制控制高速燃烧：等离子体诱导点火、等离子体增强混合和等离子体保持火焰。

除贴壁布置电极在边界层区域产生放电外，作者还提出了一种在燃烧室上下壁面间产生柱状电弧，用于燃料射流点火和混合增强的方法。图 7为燃烧室对侧电极放电示意图及其对流场和混合过程干扰的纹影试验结果。试验针对超声速Ma2和Ma2.5下的支板顺流喷注和壁面横向喷注两种典型的燃料喷注方式开展。从图中可以明显看出弧状放电对超声速流场的扰动效果。试验中采用准直流电源，在放电间隙宽达5cm的下，气流击穿的峰值电压和电流较高，脉冲释放能量1~3J。在局部焦耳热的过度加热下，压力和温度急剧抬升形成柱状激波。随着激波向外扩展，放电通道内压力与背压趋于平衡的后火花阶段，由于气体的质量惯性运动及其热传递和辐射带来的冷却作用，放电通道压力降至背压之下形成不稳定的边界反向运动，最后诱发大密度梯度下放电边界的瑞利-泰勒不稳定过程。同时试验结果揭示，放电弧能量沉积在燃料混合层上诱发的不稳定过程有利于燃料动力学混合过程的发展。

作者从更加实用的角度考虑，提出了一种脉冲调制的双脉冲电极的点火方式。图 8为原理示意图及其放电图像，前端电弧放电用于促进混合，后段放电用于形成点火火核^{[37, 40]}。

从以上可以看出，弧状流光放电通过直接作用于燃料射流起到点火和促进混合的作用，因起弧功率消耗较大，短时脉冲的工作方式是降低能耗的一种折中办法。同时，该种燃烧辅助方式对燃烧室结构绝缘性能提出了更高的要求。

3.3 纳秒脉冲放电点火

纳秒脉冲放电在纳秒级的脉冲上升、持续时间内对电极间隙施加瞬间高压电场(约化场强E/N可高至几百Td)，以快速电离波的形式产生体状均匀分布的高度非平衡等离子体。电子温度很高，使得放电能量主要消耗于气态分子的非平衡态激发和解离，能量弛豫过程产生大量活性自由基，可大幅缩短点火延迟时间。由于隔离了热力学效应和时间尺度效应对点火燃烧过程的影响，纳秒脉冲放电多用于等离子体低温化学动力学机理的试验验证研究，通过调节所施加电压和脉冲频率，对约化场强值进行控制，实现活性组分的选择性激发。

由于纳秒脉冲放电的粒子激发响应具有良好的结果可重复性，过去几十年中基于纳秒脉冲放电的等离子体化学动力学已开展了大量的基础研究。文献中分别针对不同的放电结构构型(针针放电、针板放电、平板放电)、不同的燃料种类下的点火助燃过程开展了试验，获得了等离子体放电物理过程、非平衡等离子体化学动力学机理方面的大量基础数据。

纳秒脉冲放电在低压条件下放电的均匀性、可控制、可重复性为开展等离子体低温动力学研究提供了强有力的工具。然而，在实际燃烧室的工况条件下，环境压力的提高和流体动力学过程的干扰将对放电均匀性造成影响，形成众多的丝状放电通道，为助燃机制的分析和区分带来了一定困难。对于低压、均匀放电条件下获得的等离子体点火助燃机理能否向实际燃烧室的高压、湍流、非预混条件外推仍需要进一步研究。

鉴于纳秒脉冲放电方式具有较高的能量效率，近年来研究者对高速强对流条件下的纳秒脉冲放电方式的有效性也进行了初步验证。Dutta对低温空气、高亚声速、中等压力来流下的乙烯预混和扩散火焰在纳秒脉冲等离子体作用下的点火和火焰稳定过程进行了研究^[41]。

Do展示了超声速扩散燃烧为背景的壁面电极纳秒脉冲等离子体点火助燃研究的试验结果^[42]。在Ma1.7和Ma3.0的超声速氧气流中，放电电极置于凹腔低速回流区的壁面内，非平衡等离子体通过15kV峰值、20ns脉宽、50kHz重复频率的脉冲产生。燃料(氢气、乙烯)从凹腔上游斜向注入，采用纹影和PLIF技术纪录点火流场演化过程。试验结果显示纳秒等离子体可通过缩短点火延迟时间来促进超声速气流中的燃烧过程，提高燃烧稳定性。辅助的数值模拟计算表明，点火延迟时间的缩短是由于电子与H₂和O₂的碰撞解离产生的H和O原子。为减少来流损失，Do进一步对平板条件下的燃料横向射流点火和火焰稳定过程进行了试验^[43]。在两燃料射流之间设置纳秒脉冲放电，通过上游亚声速倾斜射流和下游声速横向射流的组合可为等离子体辅助射流火焰点火过程提供足够的流动条件。图 9给出了纯氧横向射流流场的叠加了ON－PLIF图像的纹影图片。图 9(a)为没有上游燃料射流和放电的情形，图 9(b)为采用上游亚声速喷注和下游声速喷注而无放电的情形。在没有上游射流和放电的情形下，主射流上游近壁面区域内形成了由强弓形激波所诱导形成的迎风回流区，并出现了中等强度的OH信号(图 9(a))。当两股射流都开启的情况下，仅观察到了一部分弱的远离壁面的脱体火焰(图 9(b))，射流火焰受等离子体放电增强作用的显著影响(图 9(c))。

上述试验结果在结合一些数值模拟^[44]的分析下，对纳秒脉冲等离子体中的低温非平衡粒子在超声速燃烧条件下的有效性给出了初步验证。相比于电极之间的弧状放电，能够形成较大体积状分布的非平衡激发态粒子分布，但是散布面积仍然有限，主流中的燃烧过程仍然由燃料的扩散过程所控制。与普通的电火花点火方式相比较，纳秒脉冲放电对功率发生系统的要求较高，因此作为一种工程应用的点火方式其优势并不明显，其价值主要体现在可实现对活性组分选择性激发的参数隔离研究上。因对气流环境的依赖性较强，高速气流中的纳秒脉冲放电非平衡态激发特性尚未开展，对强对流非预混湍流火焰的影响仍缺少认识。从辅助燃烧机理的角度看，纳秒脉冲放电这种放电方式应用于超声速气流点火助燃的有效性需要进一步研究。

3.4 亚临界微波点火

微波等离子体属无极放电，在微波聚焦辐照下形成的等离子体形态各异，其影响因素主要包括：气体压力、微波辐射强度、偏振特性、波长、脉冲持续时间、重复频率等。通过静止空气中的微波聚焦放电试验，依据气体压力和电场强度水平的不同，可区分四种不同的放电模式，分别为：弥散放电、超临界放电、空间体状放电、附着态放电(或称为深度放电)^[45]。图 10所示为静止空气条件不同放电参数下的等离子体放电模式分区图，横坐标为气体压力，纵坐标为电场强度大小。

低气压条件下，在图中的Ⅰ和Ⅲ区将发生弥散放电，在聚焦区域形成单一或多片光滑的低温非平衡等离子体晕云。随着气体压力的提高，在中等和较高的压力环境下，微波放电表现出复杂的流光特性，如图中的Ⅱ和Ⅳ区。放电呈现出复杂的网状细丝结构，流注中的等离子体具很高的气态温度和电子传导性能，该特性可用于控制点火和燃烧过程。超临界放电需要在电场强度大于电子雪崩的临界电场强度下出现，微波功率消耗较高。空间体状放电和附着态放电属于亚临界放电，能够在低于能量击穿阈值的条件下对自由空间放电，但需要一些附属设备用于放电启动，如激光诱导^[46]或场聚焦设备。

亚临界微波放电启动后，在场强合适的空间区域产生、维持，并呈现出流光放电特性，能量沉积聚集在丝状流注的狭窄区域内，具有较高的能量效率。亚临界微波放电系统可实现紧凑的结构设计，形成大体积空间或附着于启动点的等离子放电，对于实际燃烧装置中的点火和燃烧控制应用具有一定的应用前景。

俄罗斯学者在微波点火应用方面做了大量的前驱性研究工作，在亚临界微波放电理论、微波放电特性、点火助燃验证试验方面取得了一系列结果。莫斯科辐射技术研究院Esakov教授领衔的团队基于亚临界微波放电的结构特点，对体状微波放电和附着态微波放电的在高速流中的点火助燃效果进行大量的试验验证^{[47, 48]}。

图 11为采用场聚焦设备启动亚临界微波自由空间放电系统结构及其点火助燃火焰图像。体积状亚临界放电形成的等离子体可远离启动点以每秒上千米的速度传播，可在超声速气流中维持。试验结果表明，空间发展的微波流注结构能够在宽的当量比范围内用于高速气流中的丙烷火焰的体点火和火焰稳定^[47]。

图 12所示为附着态放电在超声速气流中的应用原理图和放电图像。通过在超声速气流中插入金属管作为放电启动器，垂直于屏幕表面引入一个线性偏振的电磁辐射，在入射微波束功率远低于临界放电情况，启动器尾流处可形成稳定维持的微波放电用于辅助超声速气流中的点火和燃烧。基于此结果，研究者针对启动器的结构进行了一系列应用优化工作，对前端进气型启动器、阵列型启动器进行了燃烧试验验证^[48]。

另一种正在发展中的用于燃烧流动控制的亚临界微波放电方式是表面微波放电，该放电方式是空间体状放电Ⅳ区的一种特殊类型。在微波场中垂直电场或平行于电场方向插入电绝缘的平板，能形成沿平板表面分布的丝状放电。莫斯科大学Shibkov对表面微波放电在边界层流动控制和点火燃烧方面的应用进行了研究^[49]。针对表面微波放电的气体加热速率、表面等离子体分布特征和传播速度等参数进行了一系列的理论和试验研究，获得了不同微波脉冲调制模式、频率、持续时间下对高速气流条件碳氢燃料预混气、喷雾燃料的微波助燃放电特性和火焰发展过程的影响，并针对不同的凹腔燃烧室构型与放电组合方式进行了系统研究，初步验证了表面放电的燃烧控制可行性^[50~52]。图 13为在绝缘平板上形成的表面微波放电图像，为丙烷-丁烷-空气Ma2超声速预混气在表面微波放电下的火焰图像。

以上研究展示了微波应用于超声速气流燃烧控制上的一些初步结果，可以看出，亚临界微波放电由于可对电子束进行定向添加，形成大面积的空间放电分布，因此有针对性地解决了超声速气流中的等离子体能量扩散和贴壁燃烧问题。尽管目前在贴近工程应用方面的研究并不太广泛，但微波放电无疑为燃烧控制的研究提供了一种全新的视角。随着微波发生系统自身体积、重量小型化问题，传输系统优化设计技术等问题的逐步解决以及微波放电效率提高和放电火焰持续时间延长技术的发展，微波放电在航空航天发动机点火与助燃领域具有广阔的应用前景^[53]。

3.5 激光诱导点火

激光点火的气体击穿过程存在四种不同的作用机制，分别为激光诱导热点火、非谐振激光诱导火花点火、激光诱导光化学点火、谐振激光诱导火花点火^[54]。

其中，激光诱导点火涉及到可燃混合气体分子的红外吸收过程，常利用CO₂激光器产生10.6μm的红外激光对分子振动能级进行激发，随后能量快速耗散，转变成气体加热形成热点火；非谐振激光诱导点火使用高能脉冲激光形成高强度电场，对局部区域击穿产生高温等离子体放电火花用于点火，该点火机制与常规火花点火过程类似；后两种机制需要特定波长的激光对分子进行选择性吸收，形成对气体的光致离解和光致电离，激光诱导光化学点火基于红外/紫外的多光子吸收原理对特定可燃气分子激发，引发光致离解，产生用于点火和火焰维持的高活性可燃气；谐振激光诱导点火机理融合了光化学和非谐振火花点火两种机制，采用调谐紫外光辐照产生分子或原子谐振介质，通过多光子电离产生电子，诱发电子雪崩，该方法需要在紫外波段对调谐激光频率进行精确控制。其中，激光诱导热点火受组分传热过程影响，其在高速流中的应用受到限制，同时由于红外激光器硬件及其光路布设上的限制，使其在航空应用中存在一定困难；非谐振激光诱导火花点火，其点火性能最好，但是能量需求较大；激光诱导光学点火也面临能量需求大的问题；谐振激光诱导火花点火，作为最新发现的作用机制，能量效率高，应用前景较大。

激光点火的火焰建立过程由时间尺度相差巨大的若干过程构成：能量沉积过程、等离子火花辐射、冲击波传播、热火核形成、火焰传播，影响因素复杂。针对静止气流中的激光点火机理已有大量的研究，结果表明激光点火形成的等离子体与传统的电火花本质上是相同的。激光点火代替传统电点火的主要优势在于激光点火能量沉积速率快，可对点火位置、点火脉冲过程进行精确控制，同时避免电极能量损失。在内燃机中，多脉冲多点激光点火技术与在线火花当量比测量技术相结合，有望实现比传统火花点火方式更优良的燃烧控制能力，实现低污染贫油燃烧^[55]。

在航空应用的高速流动条件下，周围气流流动和湍流特性对激光点火等离子体能量沉积、冲击波发展、初始火核传播具有重要影响，对激光点火效能的发挥起着关键作用。但其作用机制尚不明晰，需要进一步研究。在超声速气流中激光的非接触式点火、低总压损失的特点，也得到了研究者的广泛关注。Brieschenk展示了激光诱导热平衡等离子体辅助高焓高超声速气流中的自点火过程试验研究结果^[56]。图 14为激光在燃料剪切层处点火时的点火初始火核及其火焰发展形态特征。氢气从燃烧室模型压缩斜坡上的直径2mm的小孔内注入。激光诱导等离子体由一个调Q红宝石激光器产生，脉冲能量750mJ。波长694.3nm，脉冲持续时间40ns。在非预混燃烧条件下，点火位置的选择对能否实现点火至关重要。Brieschenk分别针对不同的激光点火聚焦位置对点火能量需求的影响开展了对比验证研究^[57]。试验研究发现，在横向燃料射流的剪切层位置进行聚焦点火时，由于受高速气流中的低密度强湍流效应的影响，气体击穿的能量阈值较高，点火需要的能量较大。相比之下，在燃料注入燃烧室之前，预先采用激光对氢气进行解离和电离，高压、层流的流动条件下击穿阈值较低，点火能量需求大大降低。但是为了保证点火成功的OH生成浓度，需要在氢气中加入氩气作为缓释剂，以避免生成的活性离子在喷注主流之前提前复合。试验结果证明了激光等离子体形成的活性基团对于自点火的促进作用。

与微波点火类似，激光非接触式点火能通过能量空间聚焦的方式引导火焰锋面形成，但其应用于机载条件目前尚存一定距离。一些地面试验的结果证明了激光点火在超声速气流中的有效性^[58]。

4 总结与研究建议

本文对等离子体辅助燃烧机制及其高速气流燃烧应用方面的研究进展进行了总结和评述，简要回顾和梳理了等离子体燃烧机制研究中获得的主要研究成果，阐述了高速气流燃烧应用的气流环境特点、等离子体应用在结构相容性和能量效率上的限制性因素，分析了不同技术成熟度的等离子体生成技术应用于高速燃烧的研究现状。

为了应对高速气流环境下等离子体燃烧控制和辅助点火燃烧性能面临的挑战，需要从两方面开展深入研究：(1)从基础研究角度需要针对超燃燃烧室复杂流动应用环境，开展极端流动条件下等离子体点火助燃的流动耦合机理研究，分析可压缩性、非预混特征对等离子体效能的影响；(2)从技术角度出发，需要针对各种等离子体放电型式和燃烧室结构方案，开展等离子体与燃烧室耦合工作过程研究，从结构相容性和能量效费比的角度进行优化设计。

本文虽然仅从高速气流燃烧应用这一角度对等离子体燃烧应用进行了梳理，但是等离子体燃烧应用作为一门学科交叉技术，将对未来先进燃烧技术起颠覆性作用。国际上以美国和俄罗斯为代表的发动机技术优势国家，实际上早已实施了等离子体改善推进性能的多个预研计划，对该技术领域进行了很好的前期布局。在航空推进发动机技术薄弱的大背景下，我国目前在这一前沿技术领域更显不足。未来需要以超燃冲压发动机、脉冲爆震冲压发动机、高推重比航空发动机等先进空天推进系统发展中亟待突破的关键燃烧技术为研究背景，针对高速、低压、贫油、宽范围、参数突变等极端工况，强湍流环境下的燃烧组织问题，系统开展等离子体点火助燃机理与燃烧控制技术研究。研究过程中充分借鉴等离子体燃烧应用基础研究成果，实施等离子体在真实发动机环境下的性能提升匹配验证试验，对不同放电模式下的放电参数及其激励效能进行验证评估，建设基础性试验数据库。同时发展等离子体参数优化控制方法和燃烧室等离子体一体化耦合设计技术，达到全面提升发动机性能的效果。这些问题的解决将极大促进等离子体在空天飞行器系统中的应用，为解决先进发动机研制过程中的瓶颈问题提供理论指导和技术支撑。