对于临近空间超声速和高超声速飞行器而言，激波/边界层干扰（shock wave/boundary layer interaction，SWBLI）是飞行过程中的常见现象. SWBLI是飞行器气动载荷的源泉^[1]，其导致的边界层转捩和分离现象容易造成飞行器表面压力载荷脉动、过热以及进气道不起动等诸多问题，进而造成飞行器结构部件的疲劳破坏，严重影响了飞行器的稳定性和安全性等飞行品质. 通过有效的流动控制手段消除这些不利影响，可以有效提升飞行器性能，主动流动控制应运而生^[2].

研究者往往致力于研究符合实际飞行情况的激波/边界层干扰问题，探寻引起激波低频运动的物理机制，以寻求可以解决控制激波运动的合理方法^[3]. 等离子体流动控制是基于等离子体激励特性的主动控制技术^[4-5]，相比于在干扰区上游增加对边界层扰动的被动流动控制手段，其在控制激波非定常性方面更具优势. 近些年来，超声速等离子体流动控制技术领域取得了显著发展，研究人员提出了电弧放电、等离子体合成射流、微波放电、辉光放电和射频放电等多种激励形式^[6]，目前应用前景较好的包括边界层转捩、附面层分离控制、超声速混合增强、推力矢量控制和激波减阻等^[7-12]. 其中，射频放电等离子体激励具有高频连续、热效应显著这2个重要特性，在飞行器激波减阻方面具有很大潜力.

理清SWBLI的物理机制是研究激励器对其流动控制效果和机理的基础，研究者对斜坡诱导SWBLI问题中的非定常性进行了许多探索. Thomas等^[1,13]通过精确测量马赫数Ma=1.5来流条件下干扰区及其上游不同特征结构的压力脉动，结果表明：SWBLI显示出很强的非定常性，激波表现出大尺度偏移运动，激波运动的特征频率远低于湍流边界层的特征频率. Shinde等^[14]发现主动表面变形技术对过渡SWBLI具有很好的抑制作用，可以消除与戈勒式旋涡相关的分离和不稳定性. Piponniau等^[15]提出了分离剪切层卷吸/填充机制. Klimov等^[16-17]进行了射频表面放电激励控制超声速流动的实验研究，结果表明：施加激励后，在激励器下游的平板表面出现了明显的流动分离现象，此时的等离子体形状类似于斜面；但对于射频表面的放电激励影响规律和控制机理并没有进一步研究. Memmolo等^[18]对圆锥激波与平板湍流边界层的相互作用进行了模拟研究，发现边界层特性受外加压力梯度的强烈影响.

王健等^[19-20]的研究表明，当直流电弧放电等离子体激励作用于激波上游平板表面时，其周围的流场性质发生改变，使边界层强制分离产生激波，从而使流场压力重新分布达到减阻的效果. 王宏宇等^[21]研究了Ma=3来流条件下SWBLI对等离子合成射流的响应特性，发现射流对减小分离泡和减弱激波强度均有一定的效果，而流量是提升射流对激波控制效果的重要参数. 杨臻等^[22]开展了射频放电等离子体的电特性、热特性以及控制激波研究，结果表明：施加射频放电等离子体激励后，压缩拐角斜激波底部结构分散减弱，激波强度减小，但该研究只定性分析了射频放电等离子体激励对激波的控制效果，未涉及光谱特性的参数影响规律，也没有揭示射频放电等离子体激励对SWBLI非定常性的控制效果和影响规律.

虽然已有研究在超声速流动控制领域取得了一定的进步，但在射频放电等离子体激励控制SWBLI非定常性方面仍然缺乏深入的研究，在很大程度上影响了射频放电等离子体激励在这一领域的进一步发展. 目前，采用激励频率为kHz量级的脉冲表面电弧放电已经取得了比较好的控制效果，由于射频放电显著的热效应和高达MHz量级的频率，预测其在控制SWBLI方面具有较大的潜力. 本文在低压舱（12 kPa）中测量不同放电功率和频率下射频表面放电等离子体的发射光谱，研究放电功率和频率对表征电子温度的谱线比以及表征振动温度和电子密度的谱线比的影响规律. 在光谱特性测试结果的基础上选择优化参数，在Ma=2的超声速来流中，进行射频放电等离子体激励对SWBLI非定常性的控制实验，利用高速相机记录施加等离子体激励前、后流场的变化情况，并采用空间傅里叶变换、相关性分析等方法研究等离子体激励对SWBLI非定常性的控制效果.

射频放电等离子体激励及发射光谱诊断系统如图1所示，主要由射频电源、表面放电激励器、低气压舱、真空泵、光谱仪等组成.

采用AG1017L射频电源（或称射频信号发生器/放大器）作为放电驱动电源，可以切换连续放电和脉冲放电2种工作模式，电源最大输出功率可达到500 W，输出频率在10 kHz ~10 MHz连续可调. 表面放电激励器由长方体绝缘介质板、阳极和阴极组成，电极采用熔点高、氧化性好的钨针，电极间距为6 mm. 在射频电源与等离子体激励器之间接入一个阻抗匹配电路，以提高加载于激励器上的功率，并升高激励器两端的加载电压.

采用Avantes Avaspec-2048-M四通道光纤光谱仪测量发射光谱，光谱仪内有4个独立通道，分别对应不同波长范围 (200~365 、360~505、500~625 和620~950 nm) 的光栅. 激励器置于低气压舱内距离石英玻璃窗口5 cm处，光纤探头对准低压舱内表面激励器放电处，紧贴低压舱石英玻璃窗口. 连接光谱仪与计算机，以记录实验数据.

SWBLI非定常性控制实验系统如图2所示，包括超声速风洞、压缩拐角实验件、纹影测试系统和同步系统等. 其中，超声速风洞主要由整流段、拉瓦尔喷管、试验段和扩压段组成，通过真空泵抽气降低气压. 实验采用的压缩拐角实验件由平板、斜坡和表面放电激励器组成，电极到斜坡的距离为15 mm，电极间距为8 mm，前端楔形部分呈15°，斜坡倾角为20°，如图3所示.

将压缩拐角实验件置于超声速风洞中，采用Z型纹影测试系统和同步系统测量、记录风洞观察窗内射频表面放电等离子体激励前、后激波附近的流场变化情况. 纹影系统包括高速相机（Phantom V2511）、白色氙灯光源、2个凹面镜、竖直切光的刀口等光学元件，通过调整光源、凹面镜、高速相机的位置和距离，使氙灯发出的光束平行通过激励器，经过刀口切割后由高速相机存储. 同步系统包括示波器、数字延迟发生器（DG535）等，将风洞启动时的压力信号用于触发示波器，通过示波器的2路输出信号控制数字延迟发生器和高速相机. 设置数字延迟发生器的输出时延，使得数字延迟发生器在流场稳定后再输出信号触发射频电源开始放电，确保高速相机能采集到施加激励前、后的流场.

测量发射光谱是研究等离子体特性的重要手段，特别是对于气体温度、振动温度、电子温度和电子密度等参数的研究而言具有重要意义.

在目前的大气放电中，最主要的是氮气的振动激发；在其发射光谱带系中，第二正带系是最强、最清晰的带系，也是实验中表面放电的主要光谱带系. 根据文献[23]，以氮气第二正带系中的归一化强度（380.5 nm）为基准谱线强度，表征振动温度和电子温度的谱线比计算公式分别为

(1) ${I_{\rm{e}}} = \frac{{{I_{391.4}}}}{{{I_{380.5}}}} = {K_0}{({T_{\rm{e}}})^{{C_0}}}\exp\; \left( { - \frac{{{E_0}}}{{{T_{\rm{e}}}}}} \right),$

(2) ${I_{\rm{v}}} = \frac{{{I_{371.1}}}}{{{I_{380.5}}}} = 1.138\;4\exp\;\left( - \frac{{0.495\;2}}{{{T_{\rm{v}}}}}\right).$

式中：I_e为表征电子温度的谱线比，I_v为表征振动温度的谱线比，I_391.4、I_380.5、I_371.1分别为波长为391.4、380.5、371.1 nm时的光谱强度，T_e为电子温度，T_v为振动温度，K₀、C₀和E₀为常数.

将表面放电激励器置于低压舱内，并设置低气压舱的气压为12 kPa，这一气压对应于风洞静压；在该气压条件下研究射频放电等离子体的发射光谱特性，为SWBLI非定常性实验奠定基础.

设置电源的频率为1 MHz，负载功率为100 W，占空比为0.2. 射频表面放电图像如图4（a）所示，将光谱仪积分时间设置为1000 ms，采集到的发射光谱如图4（b）所示，可以看出，射频表面放电的发射光谱主要集中在300~450 nm.

将射频电源的频率设置为1 MHz，研究电源负载功率对射频放电等离子体光谱特性的影响. 不同负载功率下的发射光谱如图5（a）所示，I为相对光谱强度，L为波长，P为负载功率.

如图5（b）所示为不同负载功率下发射光谱相对强度的变化. 可以看出，随着负载功率的增大，表征电子温度的谱线比 ${I_{\rm{e}}}$增大，而表征振动温度和电子密度的谱线比 ${I_{\rm{v}}}$有减小的趋势，但变化较小，基本保持不变. 这是因为随着负载功率的增大，放电电流增大，电弧加热效率增大，导致放电周围区域温度升高，使得电子温度升高；而由于气压不变，放电模态没有发生变化，振动温度和电子密度也基本不变.

将射频电源的负载功率固定为100 W，研究电源频率对射频放电等离子体光谱特性的影响. 不同电源频率下的发射光谱如图6（a）所示.如图6（b）所示为不同频率下的发射光谱相对强度，可以看出，随着频率增大， ${I_{\rm{e}}}$先增大后减小，在1.1 MHz时达到峰值3.1，而 ${I_{\rm{v}}}$基本保持不变. 这是因为随着放电频率的增大，电子和发光粒子之间的碰撞次数增加，释放的热量增加，电子温度升高. 当放电频率进一步增加时，高能电子的平均自由程减小，降低了电子与发光粒子之间的碰撞几率，电子温度开始降低；而此时放电模态没有发生变化，因此，放电频率的变化对振动温度和电子温度基本没有影响.

在研究射频表面放电等离子体发射光谱特性的基础上，选取射频电源优化参数，进行风洞实验. 设置电源负载功率为100 W，频率为1.0 MHz，占空比为0.2.

为了更好地研究流场不同区域的特征频率，通过空间傅里叶变换对纹影的时间序列进行后处理分析. 假设在时间t内捕捉到了N张纹影图像，每张纹影图像序列由n₁×n₂个像素点构成，对一段时间内的像素点灰度进行傅里叶变化，进而计算得到各个像素点位置的功率谱、指定像素点位置及特征频率，确定流场中对应区域的能量大小，对所有像素点作空间傅里叶变化就可获得指定频率下能量的空间分布. 实验中Ma=2，高速相机的采样帧频为50 000 帧/s，曝光时间为1 µs，图像分辨率为512×512，变换后可显示的频率范围约为0~20 kHz，流动的主导频率f为对应于功率谱的最大频率.

实验中通过高速相机捕捉到的纹影图片可以清楚观察到来流边界层、分离区、再附边界层以及分离激波，如图7所示. 为了更好地研究射频激励下的流动特征，在基准流场中选取4个监测点Q₁~Q₄的灰度时间序列作功率谱分析. 将数据点分为5块，每块3 000个数据点，进行傅里叶变换，将5组数据平均处理.

如图8所示为监测点Q₁~Q₄的灰度时间序列功率谱. 其中，Q₄位于激波处，对应于低频模态和高频模态，且频带较宽；Q₁位于再附边界层，Q₂位于分离区，Q₃位于来流边界层，Q₁、Q₂和Q₃均为高频. 从来流边界层到分离区，再到再附边界层，其能量依次增强，说明从来流边界层经过分离激波之后，流体的脉动增强.

选择激波位置K₁点、分离区内K₂点、来流边界层内K₃点和再附边界层内的K₄~K₆点为监测点，并研究流场其他位置与监测点的相关性.

如图9所示为监测点K₁~K₆处的相关性图，右侧标尺代表的是相关性系数，颜色越深，相关性越强. 两点之间的相关性可以用来识别分析流场中的相关结构. 图9（a）显示了监测点位于激波时的相关性，可知，分离激波的相关性较强，同时偏离分离激波的区域与该点也有较强的相关性，说明激波以一定的幅度振荡. 从图9中可以看出，分离区、来流边界层和再附边界层与激波之间没有存在相关性. 比较图9（d）、（e）、（f）发现，从再附边界层上游到下游，产生的漩涡结构逐渐变大.

如图10所示为指定频率的空间频谱分布，显示了流场指定频率所对应的能量. 图10（a）和（b）分别为当指定频率f=0.5和2.0 kHz时所提取的频谱，分析可知，激波所在区域的功率谱能量比较高，而来流边界层、分离区、再附边界层的能量很低，表明激波脉动的主导频率为低频，且频带较宽；图10（c）为以 f=10.0 kHz为指定频率所提取的频谱，可以看出，高频时激波的能量较小，振幅较小，同时来流边界层和分离区的能量较小，而再附边界层具有较大的能量；由图10（d）可知，当 f=15.0 kHz时，再附边界层出现小拟序结构.

SWBLI非定常性对于研究激波与边界层的相互作用具有十分重要的意义. 为进一步研究施加射频放电等离子体激励后激波振荡频率的变化，设置电源的负载功率为100 W、激励频率f_e分别为0.7和1.0 MHz进行实验.

如图11所示为在激励频率0.7 MHz时，流场在施加激励前、后的纹影图以及指定频率分别为2和10 kHz时的功率谱空间分布图. 可知，当 f=2.0 kHz时，激波附近对激励的响应较明显，激波低频能量减小，低频区域没有明显变化；当 f=10.0 kHz时，激波高频能量增大，振荡区域增大，来流边界层和分离区的能量也明显增大. 该结果表明：当激励频率为0.7 MHz时，激波的低频脉动能量减弱，但低频脉动区域没有明显变化，激波的高频运动增强.

如图12所示为流场在激励频率1.0 MHz时施加激励前、后的纹影图，以及指定频率分别为2 kHz和10 kHz时的功率谱空间分布图. 可知，当 f=2.0 kHz时，激波附近的低频能量明显减小，且低频区域有明显减小；当 f=10.0 kHz时，激波高频能量明显增大，且其振荡区域增大，再附边界层出现能量较大的漩涡结构. 该结果表明：当激励频率为1.0 MHz时，激波的低频运动减弱，低频振荡幅度减小，激波的高频脉动增强且高频振荡幅度增大. 再附边界层漩涡结构的出现表明，再附边界层容易响应频率较高的激励.

为了更好地探究射频放电等离子体激励对SWBLI非定常性的影响机理，实验采集超声速风洞实验段中、无来流条件下的射频表面放电流场纹影图像，如图13所示. 可以看出，射频表面放电存在显著的热效应，可以诱导产生一道压缩波；压缩波随着时间的推移逐渐向四周扩散传播，不断减弱直到最终消失，而热效应随着放电持续产生，因此认为射频放电等离子体激励对流场的影响主要是热效应作用. 在Ma=2的来流中施加激励以后，射频表面放电的热效应会使电极表面及下游区域的气体温度升高，局部马赫数减小，压力振荡频率减小，压力振荡幅度增大，进而引起激波振荡频率向高频转移. 同时，放电的热冲击在下游分离区和再附边界层产生能量沉积，加剧分离区流体微团的横向脉动，使得气流紊流度提高，分离区尺寸增大，进而使激波脉动幅度增大，激波低频脉动特征频率减小，高频脉动特征频率增大.

为了克服激波运动随机性的影响，通过纹影图像所呈现的亮度变化来提取激波位置，得到激波位置的时间序列. 具体做法如下：在x=50~130 pixel、y=60 pixel的范围内，提取灰度值最大的点对应的x轴坐标作为当前时刻激波在x轴的位置，如图14所示. 对3 000张图像进行处理，得到激波位置在有、无激励情况下的频谱图，如图15所示. 由图15（a）可知，在施加激励（0.7 MHz）前的基准流场中，激波存在低频和高频2种运动模态；施加激励后，激波低频运动的主导频率减小，高频运动能量增大. 由图15（b）可知，当激励频率为1.0 MHz时，施加激励后，低频成分的能量明显减小，而高频成分的能量增大比激励频率为0.7 MHz时更显著.

本研究运用发射光谱诊断方法研究了激励频率和功率对射频放电等离子体光谱特性的影响；运用基于空间傅里叶变换和相关性分析的高速纹影图像时间序列的图像处理方法，得到了流场的相干结构和基准流场下激波/边界层干扰的频率特性以及施加激励后激波特征频率的变化；研究了射频放电等离子体激励对激波/边界层干扰非定常性的影响，得到的实验结论如下.

1）射频表面放电的发射光谱主要集中在300~450 nm. 表征电子温度的谱线比随着功率的增大而增大，随着激励频率的增大先增大后减小，在激励频率为1.1 MHz时达到峰值3.1；当功率和频率增大时，表征振动温度和电子密度的谱线比基本保持不变.

2）激波存在低频运动和高频运动2种模态，激波主导频率为低频，且频带较宽；来流经过分离激波以后脉动增强，出现小拟序漩涡结构.

3）当激励频率为0.7 MHz时，分离激波的低频非定常振荡得到缓解，激波的自然频率从低频向高频转移，来流边界层和分离区响应了激励频率.

4）当激励频率为1.0 MHz时，激波的低频运动明显减弱，低频振荡幅度减小，激波的高频运动有明显增强且高频振荡幅度增大；再附边界层更容易响应高频激励.