神秘的“等离子态”，为何对航空航天如此重要？

9月5日，美国国家航空航天局宣布“灵神星”探测器将于今年10月搭载“猎鹰重型”运载火箭升空，其主推进任务将采用5kW或10kW量级的霍尔推力器执行。

8月16日，美国《防务一号》网站称，《ACS纳米》刊发的文章中提出采用等离子体定向冷却保护敏感电子设备免受高速飞行时极端高温影响，该方法有望提升美国在高超声速导弹和新型航天器部署竞争中的优势。

不久前，美国《航空周刊》报道，位于波士顿的美国小型创新企业幽灵航宇公司（Specter Aerospace）公布了一项等离子体辅助燃烧技术成果，可应用在高超声速巡航导弹和其他飞行器中。

今年美国在航空航天领域频繁提及等离子体技术。实际上，该技术从上世纪50年代开始就在国防领域持续发挥着重要作用。

那么，什么是等离子体？它在航空航天领域为何如此重要？

幽灵航宇公司的高超声速巡航导弹验证弹想象图（图源：美国幽灵航宇公司图片）

一、宇宙中的“第四态”

等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子组成的混合气体，被称作自然界物质固液气三态之外的第四态。

微观上，等离子体中带电粒子使系统呈现电磁特性，但因正负粒子数目基本相等，整体呈电中性。带电粒子的运动形成局部电荷集中，产生电场；带电粒子在电场中运动产生电流进而产生磁场；这些电磁场又会影响其他带电粒子的运动。换言之，系统内每个带电粒子都会受到周围带电粒子运动产生的电磁场影响，因此呈现出集体效应。

固、液、气三态仅存在于低温高密度区域，与之相比，等离子体存在空间范围宽广——从星际空间的低密度等离子体到太阳核心的高密度等离子体，从火焰的低温等离子体到聚变试验的高温等离子体，可以说，宇宙中绝大多数可见物质都处于等离子体状态。

由于在常温下气体不易电离，地球上自然存在的等离子体较少，人类最早看到的等离子体是极光、火焰和闪电。现代生活中常见的霓虹灯、荧光灯中的电弧、等离子体显示屏中彩色的放电等，都是以气体放电、光电离、激光辐射电离、射线辐照、燃烧、冲击波等人工合成方式产生的等离子体。

等离子体存在的参量空间（图源：公众号中科院合肥研究院等离子体所）

注：气体放电法是在直流、高频或微波等电场作用下使带电粒子加速，电子与气体分子碰撞使分子电离为电子和离子，新产生的电子与原电子共同加速向阳极运动，新产生的正离子轰击阴极表面发射二次电子，以该电子为火种，引起后续的碰撞电离，以此维持电子源源不断产生进入自持放电状态。目前，在研究和生产领域大多采用此法产生等离子体。

光电离和激光辐射电离是采用能量大于或等于该物质第一电离能的入射光子使某物质的分子电离，以形成等离子体，但激光辐射电离机制和普通光电离有所不同，分为单光子电离、多光子电离和级联电离，且易于获得高温高密度等离子体。

射线辐照法是用各种射线或粒子束对气体进行辐照产生等离子体。例如，用放射性同位素发出的α、β、γ射线。

燃烧法借助热运动加剧原子、分子间相互碰撞引起电离的热致电离法，产生的等离子体被称作火焰等离子体。

冲击波法基于冲击波对气体的绝热压缩效应产生高温从而引起电离，其本质也属于热致电离，产生的等离子体被称为激波等离子体。

等离子体应用广泛，如等离子体加热、热处理和热加工、气体放电光源、磁流体发电、灭菌、农业种子处理等。近年来，它在航空航天领域的技术突破尤为引人注目。

二、降温：提高电子设备适应性

电子设备工作环境温度过高或热量无法连续排出，会导致其可靠性和运行效率降低，甚至失效。美弗吉尼亚大学工程学院机械与航空航天工程学教授帕特里克·霍普金斯（Patrick Hopkins）提出等离子定向冷却方法，采用激光等离子体移除电子设备表面原子，降低电子设备的温度。

此前，霍普金斯教授团队与美海军研究实验室的斯科特·沃尔顿在实验中将氦气产生的紫色等离子体射流穿过一根外表面为陶瓷材质的空心针。为避免聚焦光束对目标刻蚀而影响实验测量结果，实验人员在目标表面镀上惰性金属金。开启等离子体后，立即测量等离子体撞击处的温度和目标表面的变化，发现表面先冷却、后升温。经后续持续测试和研究，他们确定造成上述现象的原因是碳和水分子组成的超薄的、难以察觉的表层受等离子体射流照射后发生了爆破。

这就像我们游泳后会冷是因为身体表面水分子蒸发需要吸收热量，等离子体破坏了目标表层使内部能量释放，从而使表面温度降低。

霍普金斯团队利用氦气介质产生等离子体喷流，出现紫色光晕（图源：公众号中航爱创客网）

据该研究团队人员披露，实验中，等离子体冷却可将温度降低几度，维持时间持续几微秒。该团队正在改进实验，考虑通过改变所用气体、金属和表面涂层，以实现更低的冷却温度和更长的冷却时间。霍普金斯教授的ExSiTE实验室（热工程实验与模拟）将与激光热能公司合作，制造原型设备。

美国空军十分看重此项技术，在3年内拨款75万美元支持该团队开展相关研究。等离子体冷却效应若可转化为电子冷却方案，不仅能够有效增强飞机、卫星和高超声速飞行器等武器装备的电子设备高温适应性，同时不会损害其尺寸、质量和功率，还可掩盖一些地面耗电设备的热特征，如雷达或高功率无线电设备，从而降低被侦察到的风险。

三、减阻：提高射程和加速

亚声速飞行器飞行阻力来源可主要分为四类：

由压强在来流方向上的投影造成的压差阻力，可通过抑制边界层分离减阻；

由飞行器表面切应力造成的摩擦阻力，可通过控制边界层转捩减阻，使飞行器表面尽量处于摩擦力较小的层流状态，或在边界层转捩为湍流后调控边界层内部结构，减小湍流摩擦阻力；

由飞机各部分之间气流相互干扰产生的干扰阻力；

因产生升力附加产生的诱导阻力。

对于超声速飞行器，除上述阻力外，还会产生波阻。在高超声速飞行下，飞行器头部波阻约占总阻力的三分之二，严重影响飞行器的气动性能。

增加升力、减少阻力以提高升阻比，是提高飞行器射程和最大速度等性能参数的重要手段。等离子体减阻是一种新型主动流动控制减阻方式，用于抑制分离、延迟转捩或降低激波强度。根据等离子体减阻机制不同，减阻方案主要分为以下三种：

逆向喷流减阻

在飞行器头部或迎风关键局部安装等离子体射流激励器，迎向来流方向喷射等离子体，将激波推离飞行器表面以减小阻力。

等离子体逆向喷流作用下飞行器钝头体流场演化过程（图源：论文《新型等离子体合成射流及其激波控制特性研究》）

注：3马赫数来流下，飞行器钝头体头锥外围会形成一道较稳定的弓形激波。在放电触发后20微秒，等离子体射流和前驱激波已射出腔体，但其影响还没有达到头部弓形激波。40微秒时刻，头部激波的顶端被推向上游并形成一个凸起。在60和80微秒时刻，头部激波进一步向上游推动，推离飞行器表面以减小阻力。

边界层控制减阻

在飞行器表面布置介质阻挡放电等离子体激励器或直流辉光放电等离子体激励器，使得边界层气体分子加速或局部体积耗散加热，从而改变边界层的流场结构和物理特性，抑制飞行器表面流动分离，减小边界层的湍流度或防止湍流涡系产生。

介质阻挡放电等离子体激励器主要用于低速流动控制减阻，由裸露电极、掩埋电极和两者之间的绝缘层组成。两个电极交错布置，在交流高压（AC HV）驱动下，激励器上方形成非对称电场，使附近空气电离形成等离子体，并沿激励器表面向内埋电极侧流动。

介质阻挡放电等离子体激励器示意图（图源：作者自制）

直流辉光放电等离子体激励器主要用于高速流动控制减阻，在直流电（AC）驱动下正负电极间产生大量等离子体。根据实际需要改变电极布置方式，可形成流向放电（来流方向与正负电极布置方向相同）和展向放电（来流方向与正负电极布置方向垂直）结构。

直流辉光放电等离子体激励器示意图（图源：作者自制）

局部能量点源减阻

在飞行器前端注入激光或微波等能量源，空气被聚焦的能量源击穿产生等离子体，等离子体持续吸收能量后温度升高，压强增大，从焦点区域向外扩散，在到达飞行器表面时可以将飞行器钝头体前端的弓形激波变成较弱的斜激波，而由于斜激波后的压强比正激波后的压强小很多，因此可以减小由于飞行器前后的压强差造成的气动阻力；将等离子体流引到飞行器外围，从结构上改变气流方向，也能在一定程度上减小阻力。

激光能量点源减阻原理示意图（图源：作者自制）

四、隐身：减小雷达散射截面

利用等离子体可回避电磁波探测系统。在强电磁散射部位覆盖开放式等离子体云或封闭式等离子体放电腔室，基于等离子体对电磁波的反射、折射、吸收、散射、变频及相移等机制，减少特定方向回波，从而减小目标雷达散射截面（RCS），实现“隐身”目的。

相比于通过外形设计和材料实现隐身，等离子体隐身具有吸收率高、吸波频带宽、动态连续可调且无须改变目标原气动外形等优点。

美国诺斯罗普·格鲁曼公司曾将等离子体隐身技术应用到B-2轰炸机上——在机体表面涂抹一种特殊涂料，飞行过程中产生等离子体将周围空气电离，形成一层等离子体鞘，散射或者吸收雷达波，使其RCS减小。

2004年，美国STAVATTI公司在出口型战斗机F-26STALMA上利用等离子体发生装置在机身蒙皮和机翼蒙皮内产生低压等离子体降低RCS实现隐身。2006年3月，美国《航空周刊》称AGM-158A导弹也采用了等离子体隐身技术。

F-26STALMA战斗机等离子体隐身方案示意图（图源：论文《等离子体隐身技术研究进展》）

虽然国内外对等离子体隐身技术开展了大量理论和试验研究工作，已在军事应用中有所体现，但目前依然处于初步阶段，距离实际工程化应用仍有较大差距，一些技术难题亟待解决，如：

等离子体发生器质量和体积较大；

等离子体发生器安装部位目前无法隐身，等离子体发光红外特性，这些会使暴露风险增大；

等离子体的高温损坏机体材料以及腐蚀问题；

放射性同位素剂量难以控制。

……

五、助燃：烧得更少、飞得更远

等离子体动力学与燃烧学的交叉应用始于百年前内燃机点火技术，近年来，国内外对等离子体辅助燃烧技术研究进入了更广的深度，探索在各种极限环境条件下实现快速点火、稳定燃烧，提高燃烧效率并减小环境污染途径。

目前，国内外学者普遍认为，等离子体辅助燃烧机理基于三种效应：

热效应，通过放电等离子体产生高能活性粒子与分子碰撞提高混合物温度，进而提高化学反应效率；

化学动力学效应，高能活性粒子改变原始燃烧反应路径，加快化学反应速度；

输运效应，等离子体放电对流场的扰动加速了活性粒子、燃料和氧气的掺混，使反应更加剧烈。

三种效应紧密耦合，共同促进了燃烧过程。

等离子体辅助燃烧机理（图源：论文）

今年6月，幽灵航宇公司提出新型高超声速巡航导弹概念，将高马赫数涡轮与等离子体辅助燃烧的双模冲压发动机组合，形成涡轮基组合循环（TBCC）导弹。该技术已从美国防部和两个投资者CS风险投资公司和曼陀罗风险投资公司获得了总计950万美元的资金。

该公司此前曾表示，使用火箭助推器将高超声速导弹加速至双模冲压发动机的启动速度存在缺陷，将导致导弹长度增加1/3，质量增加40%，既难以达到理想射程，也难以由战斗机内埋携载，因此提出了采用高马赫数涡轮发动机和使用等离子体助燃的双模冲压发动机组成的涡轮基组合循环动力系统。该公司首席执行官称，“经过严格测试表明，基于等离子体辅助燃烧技术可以使用更少的燃料达到飞行更远更快的目的”。

六、推进：提高载荷、节约成本

化学推进将燃料的化学能转化为喷气动能进而产生推力，等离子体推进则是将电能转化为动能。与传统化学推进相比，其喷气速度可提高10倍甚至更高量级，可减少航天飞行器携带燃料质量，提高飞行器有效载荷，降低发射质量，并节约成本。

等离子体推进技术最早由苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和美国的罗伯特·戈达德提出，美苏学者的理论研究验证了其可行性，随后在世界航天飞行器空间推进技术中展示出良好的应用前景，霍尔推力器和离子推力器就是其典型代表。

霍尔推力器

离子推力器（图源：论文Recent Progress and Perspectives of Space Electric Propulsion Systems Based on Smart Nanomaterials）

霍尔推力器通道内有沿半径方向分布的磁场，阴阳极间的放电等离子体产生轴向电场。在霍尔效应下，大量电子被磁场捕获并沿磁力线做高速回旋和漂移运动，推进剂气体分子流经放电通道时与电子发生碰撞，原子失去电子变为带正电离子，在轴向电场作用下高速喷出产生推力。

注：当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应。

电子轰击式离子推力器采用空心阴极向电离室内注入热电子，与气体工质碰撞产生等离子体，带正电离子通过栅极静电场加速喷出产生推力。电子中和枪为保障航天器电荷积累维持在稳定裕度，不断向离子喷流中发射电子中和。

2023年9月5日，美国国家航空航天局宣布“灵神星”探测器将于今年10月搭载“猎鹰重型”运载火箭升空，预计2029年抵达同名小行星，其主推进任务将采用5kW或10kW量级的霍尔推力器执行。

（a）LIPS-200离子推力器（图源：论文《空间电推进的技术发展及应用》）（b）HET-70霍尔推力器（图源：论文《电推进——空间推进技术的革命》）

苏联主要针对霍尔推力器开展研究，Meteor气象卫星在1972年携带SPT-60霍尔推进器成功进行首次空间试验。基于此型号改进的1.35kW额定功率SPT-100推进器被广泛应用在各国卫星平台。

1959年，美国科学家哈罗德·考夫曼（Harold Kaufman）成功研制出了离子推力器。1998年10月，深空一号（DS-1）采用XIPS-30离子推力器开展小行星探测，该推力器累计运行超过14000小时。2010年，波音公司BBS-702SP平台采用XIPS-25推力器代替传统化学推进技术实现卫星轨道转移及入轨后的位置保持，单颗卫星质量减少50%，发射费用减少5000万~6000万美元。

我国等离子体技术研究起步较晚，但也取得了诸多里程碑式的进步。2012年10月14日，我国实践9A卫星搭载推力为40毫牛的离子推力器LIPS-200和霍尔推力器HET-70进行空间在轨实验。2017年4月12日，我国实践13号高通量通讯卫星首次正式采用LIPS-200离子推力器作为南北位置保持的动力装置，比冲高达3000秒。

在未来航空航天飞行器上，等离子体技术发展仍需要我国科学家发挥科技创新精神，实现技术突破甚至领跑。

本文来自微信公众号：瞭望智库 （ID：zhczyj），作者：鞠美娜（中国航空研究院），编辑：李雪