Сверхзвуковая плазменная аэродинамика

д.ф.-м.н., проф. В.М.Шибков	к. ПДК-9, т. (495)939-13-37
д.ф.-м.н., в.н.с. В.Л.Бычков	к. П-78, т. (495)939-38-85
к.ф.-м.н., доц. В.А.Черников	к. П-78, т. (495)939-38-85
к.ф.-м.н., м.н.с. Д.Н.Ваулин	к. П-78, т. (495)939-38-85
м.н.с. О.С.Сурконт	к. ПДК-9, т. (495)939-13-37
вед. инж. В.В.Злобин	к. ПДК-9, т. (495)939-13-37

В последнее десятилетие наблюдается чрезвычайный интерес к исследованию взаимодействия высокоскоростных газовых потоков с принудительно организованными плазменными образованиями. О важности и интенсивности исследований говорит один факт организации нескольких ежегодных международных научных конференций в России и США, число которых уже превысило два десятка. Столь высокий интерес обусловлен перспективами использования "плазменного управления" потоком для различных практических приложений в сверхзвуковой аэродинамике. Среди таких приложений можно выделить следующие: снижение лобового сопротивления и сопротивления трения элементов конструкции летательных аппаратов, создание усилий на управляющих и несущих плоскостях, управление потоком на входе в воздухозаборники воздушно-реактивных двигателей, инициирование и стимулирование процессов горения в камерах сгорания таких двигателей.

Электрические разряды являются одним из самых эффективных способов создания плазменных областей в сверхзвуковом потоке. В лаборатории кафедры в течение последних лет исследуются различные типы разрядов в сверхзвуковых потоках (числа Маха потока M=2–4). В их числе поперечные свободно горящие разряды постоянного и импульсного тока с самоустанавливающейся длиной дуги; пространственно-локализованные и поверхностные СВЧ-разряды; стационарные и импульсные высокоскоростные струи плазмы; поверхностные скользящие разряды. Развиты различные методы диагностики плазмы в потоке, созданы уникальные экспериментальные стенды.

Эти исследования проводятся в тесном сотрудничестве с различными отраслевыми и академическими институтами (НИИ механики МГУ, ИОФ РАН, ВМК МГУ, ЦИАМ и др.).

Разряды в сверхзвуковом потоке

Процессы воспламенения и сверхзвукового горения топлива исследуются в сверхзвуковом канале (макете прямоточной камеры сгорания), показанном на рис. 1.

Рис. 1

На этом стенде основными являются два способа создания плазмы: с помощью продольно-поперечного электрического разряда между двумя электродами и с помощью импульсного плазматрона, генерирующего скоростную плазменную струю. У каждого способа есть свои достоинства.

Разряд между поперечными к потоку электродами может иметь протяженность, на порядки превышающую межэлектродное расстояние. Это связано с тем, что поток сам выносит разрядный канал, выстраивая его по направлению течения газа. Так, в аэродинамической трубе ЦАГИ протяженность разряда вдоль сверхзвукового потока с числом Маха M=3 достигала 1 м.

Высокоскоростные плазменные струи обладают большой "дальнобойностью", глубоко проникая в набегающий сверхзвуковой поток. В результате этого возможно объемное воспламенение топлива в камере сгорания.

В реальности сечение канала, по которому течет газ, не является постоянным. Один из возможных вариантов – канал с так называемым обратным уступом. В этом случае используются комбинированные схемы расположения электродов относительно потока. Схема и фотографии продольно-поперечного разряда между двумя электродами в таком канале с числом Маха M=2 показаны на рис. 2.

Рис. 2

На рис. 3 показаны этапы развития продольно-поперечного разряда в отсутствии потока, при наличии чисто воздушного потока и воспламенение топливной смеси в сверхзвуковом потоке.

Рис. 3

Еще одним типом разряда который будет использован для воспламенения потока на этом стенде, является СВЧ факельный разряд. Эти работы будут проводиться совместно с ИОФ РАН и МРТИ РАН. Рис. 4 демонстрирует режимы горения плазменного факела, созданного СВЧ-генератором непрерывной мощностью 1 кВт: верхний ряд фотографий соответствует режиму без потока, второй – плазменный факел в потоке и третий – воспламенение топливной смеси в сверхзвуковом потоке.

Рис. 4

В последнее время большое внимание уделяется скользящему разряду, который обладает рядом уникальных свойств, делающих его весьма перспективным для использования в практической аэродинамике. В настоящее время проводятся эксперименты по исследованию влияния скользящего разряда на пограничный слой, формирующийся на поверхности тела в потоке воздуха, с целью изучения его влияния на вязкое трение.

В эксперименте скользящий разряд формируется на части поверхности аэродинамической модели, помещаемой в сверхзвуковой поток с числами Маха M=0,8 и M=3 на трубах НИИ механики МГУ (рис. 5).

Рис. 5

Очень перспективным является скользящий разряд, формирующийся на поверхности жидкого диэлектрика (например, керосина). Такой разряд можно было бы использовать в качестве воспламенителя топлива в авиационных реактивных двигателях. На рис. 6 приведена фотография воспламенения масла при формировании скользящего разряда на его поверхности.

Рис. 6

На рис. 7 показана газодинамическая структура обтекания плоской модели сверхзвуковым потоком числом Маха M=3.

Рис. 7

Экспериментальное моделирование долгоживущих светящихся образований

Получение искусственных долгоживущих светящихся образований (ДСО, шаровых молний), является одной из тем исследований нашей кафедры. Это связано с анализом возможности создания компактных высокоэнергетических объектов и транспортировки их на большие расстояния.

Исторически ДСО были созданы на нашей кафедре в начале 90-х годов XX века при помощи мощных плазмотронов. На рис. 8 представлена схема такого плазмотрона, при помощи которого впервые получены ДСО. После вложения энергии в газ в плазмотроне развивается последовательность плазмодинамических процессов, приводящих к появлению различных плазменных конфигураций – ДСО на выходе из отверстия плазмотрона. На Рис.9 представлена такая конфигурация в виде гриба. Через 1 мкс грибовидная конфигурация превращается в тороид, свечение объекта длится до десятков милисекунд. В зависимости от вложенной энергии первоначальные скорости движения ДСО изменяются от звуковых до сверхзвуковых.

Рис. 8. 1 – электроды, 2 – диэлектрик, 3 – отверстие, покрытое майларовой тканью, 4 – камера плазмотрона. Энергия, вкладываемая в разряд 0–20 кДж, время разряда T=65 мкс, максимальный ток Imax=250 кА, начальное давление в камере 0,1–3 атм.	Рис. 9

Кроме исследований с применением мощных плазмотронов проводились и проводятся исследования с капиллярными плазмотронами. Капиллярный плазмотрон обладает следующими характеристиками: длительность импульса тока 6 мс, энергия в импульсе 200 Дж, напряжение на разрядном промежутке 300–340 В, максимальное значение тока в импульсе 100–150 А. На рис. 3 представлена общая схема капиллярного плазмотрона. Испаряющийся материал стенок приводят к образованию плазмы с уникальными свойствами: высокой яркостной температурой и аномальной длительностью существования плазмы – более 30 мс при атмосферном давлении. При этом время жизни и форма плазменного образования изменяются от типа материала стенки.

Рис. 10. 1 – инициирующая емкость, 2 – разрядное устройство, создающий инициирующий пробой, 3 – капилляр, R1, R2 – сопротивления делителя напряжения

На рис. 11 представлены фотографии плазменных факелов из капиллярных плазмотронов (левый – канал из оргстекла, правый – канал из воска).

Рис. 11

Продолжение исследований с капиллярными плазмотронами при воздействии их плазмы на пары органических материалов привело к получению ДСО с временем жизни до 300 мс. На рис. 5 представлены фотографии этих объектов в процессе развития.

Рис. 12

ДСО с полимерным каркасом получились и изучаются при создании капилляра из смеси полимерных материалов с добавлением в нее древесного порошка. При разряде плазматрона через 30 мс после распада плазмы из канала вылетают объекты размером до 2 см и временем жизни до 2 с. На рис. 13 представлена временная эволюция таких ДСО. На Рис.14 представлена электронные фотографии остатков этих объектов, которые подтверждают их полимерную структуру, и ставят вопросы о механизмах образования и свечения.

Рис. 13

Рис. 14

Исследования ДСО позволяют найти новые способы транспортировки энергии, получить новые физические объекты с уникальными свойствами, выяснить свойства плазмы в сложных гетерогенных условиях и возможность использования этих объектов для поджигания различных топлив. Эти объекты представляют сложные плазмодинамические и плазмо-гетерофазные системы (включая твердотельную и аэрозольную компоненты).

Данные исследования находятся на стыке физики плазмы, физики конденсированного состояния, физики поверхности и горения, поэтому в них приходится создавать новые экспериментальные методы и развивать новые теоретические представления об этих объектах. Они позволяют вплотную подойти к пониманию природы шаровой молнии – уникального и загадочного природного феномена.

Разряд, распространяющийся над жидкостью

Суть проблемы.

Одним из многих интересных направлениий экспериментальных работ, проводимых на нашей кафедре, является исследование импульсных разрядов, распространяющихся над поверхностями слабопроводящих жидкостей. Изучение таких разрядов представляет интерес как в связи с необычной, до сих пор почти не изученной физикой этих процессов, так и в связи с возможностью различных технических применений такого типа разрядов, например, для очистки воды, при разработке и создании систем молниезащиты и пр. При этом определенное внимание уделяется возможности достижения максимального расстояния, на которое распространяется разряд при заданном начальном напряжении в импульсе.

Что сделано на кафедре.

На экспериментальной установке, созданной в лаборатории, были получены разряды с длиной канала до 20 см, при начальном напряжении между электродами U0 = 28 кВ. Типичные интегральные фотографии разряда при межэлектродном расстоянии L = 20 см представлены на рис. 15.

Рис. 15. Интегральные фотографии разряда над поверхностью воды, полученные при различных длительностях импульса напряжения.

Видно, распространение разряда зависит от длительности поданного импульса напряжения U0. При малых длительностях разряд развивается до определенной длины и не достигает противоположного электрода (незавершенный разряд). При достаточно большой длительности (в данном случае при длительности 750 мкс) разряд достигает электрода и становится завершенным. Отметим, что для электрического пробоя такого расстояния (20 см) в чистом воздухе требуется напряжение ~ 600 кВ.

На фотографиях, изображенных на рис. 15, виден как сам канал разряда (верхняя светящаяся полоса), так и его отражение в воде (нижняя светящаяся полоса). Существование темного промежутка между разрядом и его отражением позволяет сделать вывод, что разряд распространяется на некотором расстоянии над поверхностью воды.

Экспериментально было установлено, что одним из необходимых условий распространения разряда над поверхностью жидкости является наличие электрического контакта между его головной частью и водой.

Так на рис. 16 приведены интегральные (по времени) фотографии разряда, полученные в условиях, когда на пути его распространения размещалась диэлектрическая преграда.

Рис. 16. Интегральные фотографии разряда (вид сверху): а - разряд без преграды, б и в - преграда размещена, соответственно, на расстоянии 40 мм и 30 мм от катода. Длительность импульса напряжения 100 мкс, U0 = 16 кВ.

Как следует из представленных фотографий, в отсутствие диэлектрической преграды разряд свободно распространяется от катода к аноду, расположенному от него на расстоянии 60 мм и полностью погруженному в воду. (рис. 16-а). При наличии диэлектрической преграды разряд распространяется только в той области, где существует его электрический контакт с поверхностью жидкости, т.е. до преграды. При этом полная длина разряда тем меньше, чем ближе к катоду размещается диэлектрическая преграда (рис. 16 - б и в).

Была проведена еще одна серия экспериментов, целью которых являлось подтверждение условия необходимости непрерывного электрического контакта между головной частью разряда и поверхностью жидкости. В этом случае использовались кюветы полукруглой и П - образной формы, которые наполнялись водой. Типичные интегральные фотографии разряда в таких кюветах приведены на рис. 17.

Рис. 17. Интегральные фотографии разряда в: а) полукруглой и б) П - образной кюветах. 1 - катод, 2 - анод.

Видно, что разряд принимает форму кюветы, т.е. распространяется только по линии, где имеется электрический контакт между его головной частью и водой. Этот факт позволяет сделать дополнительный вывод о возможности формирования разряда различной формы.

Экспериментально была установлена возможность удаления при помощи такого разряда тонких пленок горючих веществ с поверхности воды. На рис. 18 приведена фотография горения тонкой пленки керосина, нанесенной на поверхность воды.

Рис. 18. Фотография воспламенения и горения пленки керосина на поверхности воды, инициированное импульсным разрядом (толщина пленки 0,1 мм).

При экспериментальном исследовании зависимости скорости распространения разряда от сопротивления жидкости, на нашей кафедре впервые было установлено, что сила разрядного тока не является единственным фактором определяющим скорость распространения разряда.

На рис. 19-а приведены зависимости средней скорости движения разряда от сопротивления жидкости, а на рис. 19-б приведены зависимости от сопротивления жидкости разрядного тока и средней напряженности электрического поля между электродами.

Рис. 19. Зависимости от сопротивления жидкости: а - скорости разряда, б - квадратики - тока, треугольники - средней напряженности электрического поля. U0 = 20 кВ, L = 6 см.

Значения тока разряда определялись а начальный момент его распространения по соответствующим осциллограммам, а значения среднего поля рассчитывались по формуле Eн = Uн / L, где Uн - падение напряжение на разряде в начальный момент его развития.

Как видно из рис. 19, скорость распространения разряда возрастает с увеличением сопротивления жидкости, в то время как сила тока разряда падает. То есть скорость распространения возрастает по мере уменьшения силы тока. Откуда можно сделать вывод, что сила тока разряда не является единственным фактором, влияющим на скорость его распространения.

Что предстоит сделать.

Несмотря на большую работу, проделанную исследователями разряда, распространяющегося над жидкостью к настоящему времени, имеется ряд интересных проблем, ожидающих своих исследователей: 1) Осуществить высокоскоростную видеорегистрацию процесса распространения разряда. 2) Исследовать зависимость скорости распространения от расстояния между электродами при неизменных прочих условиях. 3) Построить надежную модель такого разряда. 4) Достичь как можно меньшей скорости распространения разряда. 5) Получить распространяющийся над жидкостью разряд при как можно меньшем значении начального напряжения между электродами. И многое другое.

Список основных публикаций