Взаимодействие плазмы импульсных разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха

На правах рукописиКолесников Евгений БорисовичВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ СОСВЕРХЗВУКОВЫМИ ПОТОКАМИ ВОЗДУХА01.04.08 – физика плазмыАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре Физической Электроники ФизическогоФакультета Московского Государственного Университета им. М. В.ЛомоносоваНаучный руководитель:Кандидат физико-математических наук, доцент Черников В. А.Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессор Синкевич О.

А.Доктор физико-математических наук, ведущий научныйБархударов Э. М.сотрудникВедущая организация: ФГУП «Московский Радиотехнический Институт»Российской Академии Наук.Защита состоится «18» февраля 2010 года в 17-00 на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственномуниверситете им.

М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинскиегоры, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. ______.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «__» _________ 2010 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66,кандидат физико-математических наук2Карташов И. Н.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Одним из важнейших направлений плазменной аэродинамики являетсяисследование возможности реализации плазменно-стимулированногоподжига и горения сверхзвуковых топливных смесей. Необходимость этогообусловлена разработкой прямоточных реактивных двигателей, которыеспособны обеспечить движением летательных аппаратов со сверх игиперзвуковыми скоростями. При столь высоких скоростях полета толькоприменение плазменных источников способно обеспечить объемное ибыстрое воспламенение топливно-воздушной смеси за счет эффективнойнаработки радикалов.

Для данных целей в различных лабораторияхпроведено большое количество работ по изучению взаимодействия сосверхзвуковым потоком разрядов постоянного тока, разрядов различныхчастотных (ВЧ и СВЧ) диапазонов, высоковольтных разрядов сдлительностью импульсов в наносекундном диапазоне, с предионизацией УФизлучением, а также их различные комбинации.В настоящей работе экспериментально исследуются параметры иповедение в сверхзвуковом потоке плазмы магнитоплазменного компрессора,капиллярного плазмотрона и продольно-поперечного электродного разряда.Процессы взаимодействие таких разрядов со сверхзвуковыми потокамивоздуха не были ранее изучены, поэтому тема настоящей диссертационнойработы является достаточно актуальной.Цель работы.Основные задачи диссертационной работы : Исследование взаимодействия плазмысверхзвуковыми потоками воздуха.импульсныхразрядовсо Определение основных характеристик таких разрядов в сверхзвуковыхпотоках. Изучение возможности применения таких разрядов для воспламенениясверхзвуковых топливных смесей.Научная новизна работы состоит в следующем: Исследованыпроцессывзаимодействияплазмы,созданноймагнитоплазменнымкомпрессором(МПК)споперечнымисверхзвуковыми потоками воздуха.

Показано, что в неограниченномпространстве характерные параметры разряда в сверхзвуковом потокеостаются практически такими же, что и при разрядах МПК внеподвижном газе. В случае разрядов в замкнутом пространстве плазма3МПК может заполнять все сечение поперечного потока и даже запиратьего. Впервые проведены исследования плазмы, созданной МПКотносительно небольшой мощности с малым размерами разрядногопромежутка.

Показано, что длина плазменной струи, отнесенная кмиделю МПК, превышает значения, характерные для МПКклассического типа. Обнаружено, что в конце импульса разрядного токав зависимости от энерговклада в разряд образуются разнообразныеплазменные формирования, характерные для истечения плазмыимпульсных плазмотронов в затопленное пространство. Детально изучен процесс взаимодействия плазмы капиллярного разрядасо сверхзвуковым воздушным потоком.

Обнаружено, что в зависимостиот начальных условий плазменная струя капиллярного разряда можетлибо частично проникать в поток, либо практически полностьюсноситься потоком, Проведено комплексное исследование электродного продольнопоперечного разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке.Показано, что значение приведенного электрического поля в плазмеэлектродных разрядов в сверхзвуковых потоках определяется главнымобразом током и давлением. Сделано предположение, что параметрытаких разрядов, которые, в основном, определяются значениями E/N, независят от способа размещения разряда в потоке и от типа разряда, аосновными внешними параметрами являются величина разрядного токаи значения статического давления.

Таким образом, результаты,полученные для одного типа разряда можно переносить на другой типразряда. Показано, что плазма электродных разрядов в сверхзвуковомпотоке в исследованном диапазоне давлений (до 200 Тор) даже притоках в десятки ампер остается неравновесной. На основании полученных экспериментальных данных показано, чтоосновным параметром, определяющим характер взаимодействияплазменных струй со сверхзвуковыми потоками воздуха, являетсямощность, выделяемая в разряде. При относительно большой мощности~ 20 мВт скорость распространения струи в несколько раз превышаетскорость сверхзвукового потока при М=2, при этом поток практическине влияет на плазменную струю.

При уменьшении мощности дозначений ~ 0,8 мВт, плазма практически не проникает в поток, т.к. приэтом ее скорость становится меньше скорости потока. При дальнейшемуменьшении мощности, выделяемой в разряде, до величины ~ 3 кВтплазменная струя создается потоком и распространяется вдоль него. Полученныеэкспериментальныерезультатыпоказывают,чтоимпульсная плазма МПК может быть использована для объемноговоспламенения сверхзвуковых топливных смесей, в то время каккапиллярный и продольно-поперечный разряды могут применяться для4инициации горения вдоль потока.Практическая ценность работы.Полученные в работе экспериментальные результаты могут бытьиспользованы при проведении дальнейших научных работ по исследованиямвозможности применения плазменных разрядов, в том числе и импульсных,для инициации поджига и горения топливных смесей в сверхзвуковыхпотоках.Они могут быть использованы для оптимизации рабочих условийсуществующих устройств воспламенения сверхзвуковых потоков топливныхсмесей и при целенаправленной разработке и создании новых установок.Апробация диссертации.Основные результаты работы обсуждались на семинарах кафедрыэлектроники физического факультета МГУ и докладывались на следующихконференциях:1.

Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, апрель 18-28,2005.2. 43 международная конференция AIAA Aerospace Sciences Meeting andExhibit, США, Рино, январь 10-13 2005.3. 44 международная конференция AIAA Aerospace Sciences Meeting andExhibit, США, Рино, январь 9-12 2006.4. ТезисыдокладовXXXIIIмеждународной(Звенигородской)конференции по физике плазмы и УТС, Россия, февраль 13-17, 2006.Публикации.Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах,список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Первая главаносит вводный характер и содержит обзор литературы, вторая главасодержит описание экспериментальных установок и использованныхэкспериментальных методов. Третья, четвертая и пятая главы оригинальны.В целом диссертация содержит 156 страниц, включая 101 рисунок ибиблиографию из 184 наименований.5СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.Во введении дано обоснование актуальности темы представленнойработы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научнаяновизна и практическая значимость работы, приведены выносимые назащиту положения.В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальныхработ, посвященных вопросам плазменной аэродинамики, а именноуправлению аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов,влиянию газоразрядной плазмы на распространение ударных волн иплазменно-стимулированному горению сверхзвуковых топливных смесей.Эксперименты с электрическими разрядами в высокоскоростныхпотоках газов проводятся с середины ХХ века.

В 40-50 годах коронныеразряды исследовались в связи с проблемой снижения электризациисамолетов, а в 70-80 электрические разряды изучались с целью ихприменения для оптической накачки мощных проточных лазеров.Публикации по снижению сопротивления тел при помощи подвода энергии внабегающий поток вновь пробудили интерес к изучению электрическихразрядов, но уже в приложении к аэродинамике.Интерес к этим исследованиям оказался настолько велик, что, начиная с1999 года, проходят международные конференции, специально посвященныепроблемам плазменной аэродинамики: ежегодно в Москве - ”Совещание помагнитно-плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях” и с1997 г. также ежегодно в США – Weakly Ionized Gas Workshop в рамкаходной из конференций по аэрокосмическим приложениям, организованныеAIAA.Наданныймоментопубликованобольшоеколичествоэкспериментальных и теоретических работ посвященных вопросам снижениялобового сопротивления летательных аппаратов.

Полученные результатыпоказали, что газовые разряды и плазменные струи могут значительноизменить характер обтекания тел и, в частности, уменьшить ихсопротивление и тепловые нагрузки на них (особенно при сверхзвуковых игиперзвуковых скоростях потока).Другим важным направлением плазменной аэродинамики являетсяизучение возможности использования плазмы для поджига сверхзвуковойтопливно-воздушной смеси в прямоточных реактивных двигателях. Одним изэффективных способов создания плазменных областей в сверхзвуковомпотоке являются электрические разряды. Для данных целей используютсяразряды постоянного тока, ВЧ и СВЧ разряды, высоковольтные разряды.6Широко исследованы разряды «классического» типа, горящие междудвумя электродами в сверхзвуковом потоке в режиме дуги или тлеющегоразряда.