Автореферат (Лазерно-инициированный СВЧ разряд в сверхзвуковом потоке воздуха)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиХОРОНЖУК РОМАН СЕРГЕЕВИЧЛазерно-инициированный СВЧ разряд в сверхзвуковом потокевоздухаСпециальность 01.04.21 – Лазерная ФизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степениКандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2015Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессор,заведующий кафедрой Общей Физики 1СПбГУМашек Игорь ЧеславовичОфициальныеоппоненты:доктор технических наук, Генеральныйдиректор – главный конструктор ОАО«научно исследовательское предприятиегиперхвуковыхсистем»холдинговойкомпании «Ленинец»Куранов Александр Леонидовичкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник, федеральноегосударственное бюджетное учреждениенауки Физико-технический институт имениА.Ф.

Иоффе Российской академии наук.Лапушкина Татьяна АлексеевнаВедущаяорганизация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение наукиОбъединённыйинститут высоких температур РАН(ОИВТ РАН)Защита состоится «17» декабря 2015г. в 13.00 часов на заседании диссертационного советаД212.232.45 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, ул.Ульяновская , д.1, Малый Конференц-зал физического факультета.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке М.Горького СПбГУАвтореферат разослан «»________2015г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 212.232.45Доктор физико-математических наукСухомлинов В.С.2Общая характеристика работыАктуальность работы.

Работы по использованию электромагнитныхразрядов в различных приложениях газо- и аэродинамики ведутсядостаточнодавно.Исследованиявключаютизученияметодовипоследствий вклада энергии в поток газа посредством лазерного, СВЧ,барьерного и поверхностного разрядов х[1-8].

Объектами исследованияявляются эффекты изменения параметров обтекания тел, степеньтурбулизации зоны отрыва за счет влияния на пограничный слой. Важнойзадачей является исследования воздействия вложений ЭМ энергии всверхзвуковой поток на головную ударную волну у сверх и гиперхзвуковыхаппаратов. К таким исследованиям необходимо отнестиработы группыученыхпод руководством академика В.А. Левина по отрыву ламинарного[9] и турбулентного [10] сверхзвукового пограничного слоя,энерговложениях в виде электрического разряда,приа так же работы повлиянию на обтекание аэродинамических тел [11].

Вопросы применения ваэродинамике тлеющего [12], лазерного [13] , и прочих [14] освещены вработах коллектива под руководством академика В. ФоминаОсобый интерес к управлению сверхзвуковыми потоками путемвложения СВЧ и лазерной энергии подчеркивается совместнымиэкспериментально –расчетными работами проводимыми ОИВТ РАН(В.Бровкина, Ю.

Колесниченко), университете Ратгерса (проф. Д. Кнайта) ивычислительного центра РАН ( О. Азаровой), , [6], [15-18].Вышеперечисленные исследования относятся к тепловому типувоздействия на поток, электромагнитные разряды при этом служат лишьисточникомнагрева. Другой способ воздействия – применениемагнитогидродинамических эффектов подробно рассмотренных в работахисследователей ОИВТ РАН(например, А.Бочарова [19]) и ФТИ имениИоффе (С.В Бобашев. например, [20] [21]).3Достоинствамиобтеканиеммеханическихвсехявляются:частейперечисленныхотсутствиелетательногометодовнеобходимостиаппаратадляуправленияиспользованиявоздействиянаобтекающий на поток, малая инерционность, полностью электронноеуправлениепроцессом.электромагнитныхразрядовэнерговложения в поток вЗначительноеразнообразиепринципиальноогромномпозволяетдиапазоневидовпроизводитьвременных ипространственных параметров.Данная работа посвящена исследованию возможности реализациилазерно-инициированного микроволнового разряда в сверхзвуковомпотоке воздуха и его использовании для задачи изменения обтекания тела.Данный вид разряда может быть реализован с применением хорошоосвоенных СВЧ генераторовс диапазоном импульсной выходноймощности 100-200 киловат и наличие широкого класса твердотельныхлазеров позволяющих достичь пробойной напряженности поля в газе дляважного на практике диапазона давлений (40-760Торр).

Лучевой характервложения энергии позволяет получать необходимые разряды на удаленииот летательного аппарата, с возможностью локализации энерговложения вовремени и пространстве. Важной особенностью комбинированного разрядаявляется возможность получения микроволнового вложения энергии впоток с наиболее оптимальной для аэродинамических приложенийпространственной формой.Вышесказанное делает исследование комбинированного лазерномикроволнового разряда в сверхзвуковом потоке воздуха интересной иактуальной задачей.4Цель диссертационной работыЦелью работы является исследование способов реализации иусловий возникновения, физических параметров лазерно инициированноговложения в сверхзвуковой поток газа(воздуха).

Эти исследования должнывключать оценки эффективности влияния энерговклада комбинированногоразряда на ударно-волновые структуры и обтекание тела в сверхзвуковомпотоке, нахождение оптимальных параметров разряда для достижениянаибольшего аэродинамического эффекта.Практическая значимость результатов исследованияНаоснованиирезультатовработыможноутверждать,чтоиспользование многоточечной инициации позволяет получить тепловойслед от СВЧ разряда требуемой длинны и формыПоложения, выносимые на защиту и научная новизна1 В сверхзвуковом потоке воздуха подтверждается снижение порогадля СВЧ разряда при лазерной инициации.2 В сверхзвуковом потоке газа возможна реализация оптическогопробоя с частотами недоступными для покоящегося газа.3 СВЧ разряд может позиционироваться в пространстве тепловымследом лазерной искры.4 Для инициации СВЧ разряда лазерной искрой целесообразноприменение лазерных импульсов с минимально достаточной для полученияоптического пробоя энергией, при минимальной длительности6 Экспериментально подтверждено развитие вторичной волныионизациимеждуСВЧплазмоидамиприихинициациидвумяпоследовательными лазерными искрами.

Обнаруженный эффект снимаетограничения протяженности СВЧ разряда высокого давления величиной в2/3 длинны волны.5Апробация работы и публикацииОсновныерезультатыработыбылиопубликованывдвухпериодических изданиях индексируемых базой данных Scopus1.Mashek I.C., Lashkov V.A., Khoronzhuk R.S., Potapenko D.P., andBrovkin V.G. Microwave energy deposition in supersonic flows on laser-initiateddipole structures // AIAA-2014-0487.2.Khoronzhuk R.S., Karpenko A.G., Lashkov V.A., Potapenko D.P., andMashek I.C. Microwave discharge initiated by double laser spark in supersonicairflow.

// J. Plasma Physics, Vol. 81, No. 03, June 2015и сделано 9 докладов на Российских и международных конференциях:всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы »,Петрозаводск, 2011, JointErcoftac/PlasmaaeroWorkshop 2012, Toulouse,workshop “Thermochemical processes in plasma aerodynamics”. St.Petersburg,2012, 5th European conference for aeronautic and space sciences 2013, Munich,13th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, Moscow, 2014,The American Institute of Aeronautics and Astronautics Aerospace SciencesMeeting 2014, Maryland, 6th European conference for aeronautics and spacesciences, Krakow, 2015, the 15th International Symposium on FlowVisualization, Minsk, 2012.Личный вклад автораАвтором был создан канал лазерной инициации СВЧ разряда насверхзвуковойгазодинамическойустановке.Проведенаработапоорганизации сбора данных с измерительного комплекса, синхронизации иавтоматизации работы всей установки.

Исследования вложения энергиилазеромпикосекундногодиапазонабылопроведеноавторомсамостоятельно. Все представленные экспериментальные результатыполучены и обработаны автором или при его непосредственном участии.6Структура и объем диссертацииДиссертация объемом 90 страниц. В том числе 51 рисунок, состоитиз введения, трех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 68наименований.Содержание работыВо введении выбран объект исследования, обоснована актуальностьтемы.

Сформулированы защищаемые положения и цель работы. Показананаучная новизна и практическая ценность полученных результатов.В первой главе представлен обзор литературных данных пооптическим и СВЧ разрядам, условиям их возникновения и поддержания.Применению их к задачам аэродинамики. Глава состоит из четырехразделов, первые два из которых посвящены СВЧ и оптическому разряду.Третий раздел представляет собой обзор явлений и способов вложения ЭМэнергии в сверхзвуковые потоки. Четвертый посвящен взаимодействиюнагретых разрядами областей газа с ударными волнами.Вовторойглавеописанаконструкцияэкспериментальныхустановок для исследования оптического пробоя в воздухе, СВЧ пробоя впокоящемся воздухе, в сверхзвуковом потоке, комбинированных разрядов.Представлены способы и методы регистрации полученных результатов:спектроскопия, цифровая фотография, датчики температуры и давления.Затронуты проблемы автоматизации эксперимента.Установка для оценки эффективности вложения энергии в воздухпри пробое лазером пикосекундного диапазона [22] была создана на базестенда компании «Мултитех» СПб.

Эксперимент проводился в воздухе, приатмосферном давлении. Был применен твердотельный Nd/YAG лазер сламповой накачкой и пассивным затвором (LiF2 ). При использованииВРМБ компрессора лазер реализует единичные импульсы пикосекундногодиапазона (400пс) с энергией в импульсе 3,5мДж(1064нм) и 0.75мДж7(532нм–втораягармоника).Измерениедлительностиимпульсапроводилось при помощи автокореллятора, для измерения энергииимпульса измеритель мощности Mulektron.Прииспользовании15ммфокусирующейлинзыустойчивыйоптический пробой наблюдался при энергиях в импульсе от 0.75 мДж. Дляболее традиционных лазеров без компрессора с длительностью импульса в5..8 наносекунд потребовались бы импульсы с энергией в 30-40мДж.В результате изображениям была получена зависимость радиусаударной волны от времени по которой производилась оценка количествавложенной в ударно-волновые структуры лазерной энергии в приближениисильного точечного взрыва без учета противодавления [23].