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- 1 -临近空间飞行器表面波等离子体推进新原理
荆志波，江滨浩
哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨（150001）
E-mail: jingzhiboqust@163.com
摘 要：针对临近空间大气容易实现放电形成等离子体的天然环境条件，根据流体力学伯努
利原理、等离子体中的粒子和波之间共振效应和表面波与定向运动等离子体流之间存在着自
恰的耦合关系，本文提出临近空间飞行器表面波等离子体推进的新原理。该原理具有响应速
度快、推力可调、机动性强等特点。
关键词：临近空间；伯努利原理；表面波等离子体；波－粒子共振效应
中图分类号：O53
1引言
近年来，临近空间特殊的战略价值受到了许多国家的重视。飞艇类浮空器具有驻空时间
长、载重量大、生存能力强、预警功能强、侦察视野广、效费比高等优点，各航天大国纷纷
开展以飞艇为主的浮空器平台的研究和应用[1]。飞艇所处的平流层环境比较特殊和复杂，一
方面大气稀薄，另一方面风速、风向变化频繁[2]。面向我国未来临近空间信息作战平台的需
求，为了使飞艇以较高精度实现定点悬停或低速飞行，从而完成较长时间（半年以上）的预
警侦察任务，要求推进装置能克服大气阻力，并能根据周围气流变化情况实现推力的连续可
调；升浮控制装置能以较快的响应速度使飞艇升降及时避开强气流区；姿控装置能以较高的
精度调整飞艇的姿态，以精确调节飞艇的航向及太阳能电池帆板的接收角度。
目前，美国、日本和以色列在平流层飞艇的推进技术等关键技术研究方面处于世界领先
地位[3]。所设计的飞艇几乎都采用电动螺旋桨作为主推进器来抵消风力，实现位置修正、姿
态调整和巡航飞行；飞艇升浮控制则都是通过调节气囊中主、副舱之间氦气和空气的体积比
来实现。如美国洛克希德·马丁公司的高空飞艇采用了四台电动马达驱动的推力矢量大型双
螺旋桨作为推进器[4]；日本与美国合作于2005年升空的高空通信平台上的充氦飞艇则采用
了由尾部和两舷的螺旋桨提供的驱动力来做位置保持[5]；以色列飞机工业公司(IAI)研制的巨
型侦察飞艇也已经在21km高度试飞成功，通过艇身后部的电动机带动螺旋桨进行巡航飞行
[6]。最近，NASA从未来发展的角度发表了论证报告[7]，提出在“临近空间”的相对较低高度
采用螺旋桨推进比较合适，但是当进一步提高工作高度时使用等离子推进器就相对比较合
适，图1表明等离子体推进的适用空域要高于电动螺旋桨的高度，其根本原因在于，当海拔
越来越高时，大气变得越来越稀薄，容易实现电离，采用空气动力学的方式推进不如等离子
体推进有效。
驻空类临近空间飞行器的主要特点有以下三个：
（1）翼展大、表面积大，因而其表面覆盖的太阳能电池帆板供给的电能相对充足，如
美国MDA公司设计的试验型高空飞艇表面积约23550m2，提供的最大电功率为75kW，因
此其产生的电能供飞艇内部的有效载荷使用后还有较多的剩余[4]。
（2）周围的空气介质非常稀薄，如在30km高空，气压约1200Pa；在40km高空，气
压则降到约280Pa[8]；低气压条件下容易放电形成等离子体。
（3）相比大气层内飞行器，其工作时间很长，通常达半年以上，平台自重很大。
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图1 近空间飞行器推进系统工作高度比较（引自NASA报告）
针对驻空类临近空间飞行器的上述特点，本文提出了一种新概念推进技术——表面等离
子体推进。借助稀薄大气容易实现放电形成等离子体的天然环境条件，利用等离子体（带电
粒子）与电磁场的相互作用的物理规律，用电磁场来驱动飞行器表面等离子体，形成宏观的
等离子体定向流动，由流体力学伯努利原理，飞行器表面就能产生负压;根据此原理，可构
成基本升力单元。基本升力单元可以进行组合，安装在飞艇翼面或舵面上作为升浮推进装置
和姿控推进装置。
2升力推进原理
众所周知流体力学伯努利原理可表示为[9]
P1+ρV12/2+ρgh1= P2+ρV22/2+ρgh2 (1)
式中, (P1，P2)、（V1，V2）和(h1，h2 )分别是上下表面压强、上下表面气体流速、上下
表面高度，ρ和g分别表示空气密度和重力加速度（见图2）。当h1= h2时，可得P1+ρV12/2
= P2+ρV22/2，和压力差 P=
P△1-P2=ρ(V22-V12)/2。当飞行器上表面气流速度V1高于下表面气
流速度V2时，就能产生负压，获得升力;根据此原理，可构成基本升力单元。经测算，在不
同高度h和不同上表面等离子体流速V1下，飞艇表面单位面积产生的升力f估算如表1所
示。
图 2 升力形成原理示意图
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表1 飞艇表面单位面积产生的升力（N/m2）估算 h（km）
f (N/m2)
V 40 30 20
10 m/s 0.2 0.92 4.44
31.6 m/s 2.0 9.2 44.4
100 m/s 20 92.1 444.1
可见，只要在飞艇上翼面形成一定速度的表面气流，就将产生可观的升力推进。
3表面等离子体的宏观定向运动
根据等离子体动理学中波－粒子(离子)的相互作用关系可知，当带电粒子与等离子体中
的波满足共振条件时，粒子和波之间将充分交换能量[10]。相速度在等离子体中存在着热运
动速度（vTi）接近并小于波速度的粒子群（共振粒子将吸收波能量而被加速，同时波受到
无碰撞阻尼（即著名的朗道阻尼）而衰减[10]。慢波和表面等离子体形成，等离子体定向加
速驱动是临近空间飞行器表面等离子体推进技术的重要研究内容。
3.1 表面波慢波形成
如图3所示，金属衬底层状介质是利用介质边界条件引导电磁波的波导，当介质中的电
磁波的入射角度大于临界角时，在介质层外表面折射出沿层表面传播的表面波，波幅按指数
规律迅速衰减，电磁场在空间上被压缩，形成高场强，直接电离介质表面的空气形成等离子
体[11]。另一方面，该表面波相速度小于无界媒质中平面波的相速度，并与金属衬底波导的
物性特征参数和几何因素有关。普通介质波导的介电常数和磁导率较低，所形成的表面波相
速度远高于等离子体中离子的热运动速度；因此，必须研究大幅度减慢表面波相速度的特殊
机制。选择片状磁化铁氧体为波导介质，利用它的色散性质和各向异性特征可大幅度减慢表
面波相速度。当铁氧体的电子进动频率和微波频率相等时，将发生铁磁谐振，此时的相对磁
导率极大，表面波的相速度将大幅地降低[11]。磁化铁氧体中存在着两种电磁波的传播方式，
适当的磁化方向和强度能够同时兼顾电磁波在波导中的传播和表面波的减速。
图3 表面慢波形成示意图
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- 4 -3.2 表面波等离子体生成技术
表面波等离子体源是近年发展起来的新型等离子体源技术, 可产生大面积、均匀、高密
度的等离子体[10，12]。高度20～40公里邻近空间区域的气压范围约是5500～280Pa。当波频
率（ω）略小于等离子体电子振荡频率(ωpe)时，即ω≤ωpe(1+εD)1/2，其中εD (≥1)是层状介质
波导的等效介电常数，表面波在介质层外表面附近激发出截止密度(ε0meω2/e2)以上的等离子
体，同时表面波在介质与等离子体分界面附近沿表面传播，并形成高强度的电场分布以维持
高密度等离子体的生成[12]。
3.3 表面波等离子体定向加速
等离子体中的表面波相速度vph小于无界媒质中平面波的相速度, 其相速度范围为
vTi< vph 的表面波具有准稳态场 (低频静电波) 特征。在非等温等离子体中存在着低频静电波－离子 声波模式[10，13]，这种波的相速度与表面波速度满足同样的关系：vTi< vph 离子体中存在着热运动速度（vTi）接近并小于表面波相速度的离子群（共振粒子），这些 离子将吸收表面波能量而被加速，同时波受到无碰撞阻尼而衰减。另一方面，等离子体体系 中总存在离子和中性粒子间的碰撞，在共振离子群从波场获取能量后就受到了碰撞，将获得 的能量转移给不受电磁场控制的中性粒子，从而间接加速了中性粒子；而那些失去能量的离 子则要重新从波场中吸取能量，于是朗道阻尼过程就不断的延续下去，形成一种宏观上的等 离子体流动加速现象。这种机制保证了等离子体在较低的电离率下能够实现慢波加速，从而 降低空气电离耗能，提高推进效率。大于临界角时，在介质层外表面折射出沿层表面传播的 表面慢波，波幅按指数规律迅速衰减；在层表面附近形成高场强区域。 表面电磁波与定向运动等离子体流之间存在着自恰的耦合模式，也就是说，空气表面波 电离生成的等离子体在表面行波作用下，形成定向的宏观运动，同时运动的等离子体流支承 着表面波传播[12,13]。这种自恰的耦合作用关系给出了本文所提出的临近空间飞行器表面等离 子体推进概念的可行性。 4结束语 本文已概述了临近空间飞行器表面等离子体推进的原理。该原理涉及到等离子体与电磁 场相互作用的诸方面内容，包括含碰撞积分算子和速度空间扩散算子项的动理学理论，能量 和动量守恒和转换方程和麦克斯韦方程组等非线性问题。深入地研究这些问题能够获得波- 离子和离子-中性粒子的相互作用规律，实现等离子体表面行波的宏观定向驱动，为临近空 间飞行器表面等离子体推进新技术的实施奠定了坚实的基础。原则上，本文所提出的表面等 离子体推进—电推进概念具有结构简单、重量轻、响应速度快（因不采用机械部件）、推力 可调（通过调节电功率改变等离子体流速），不需要消耗氦气，因而能提高飞艇的机动性， 提高其有效载荷率，增加其服役时间。开展表面波等离子推进技术的探索研究，无疑对发展 高性能临近空间飞行器具有重要意义。