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

Санкт-Петербургский Государственный университетНа правах рукописиХоронжук Роман СергеевичЛАЗЕРНО-ИНИЦИИРОВАННЫЙ СВЧ РАЗРЯД В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕВОЗДУХА01.04.21 «лазерная физика»Диссертацияна соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель :Доктор физико-метематическихНаук, профессорМашек И.Ч.Санкт-Петербург2015ОглавлениеВведение ........................................................................................................................... 31Глава 1 Современное состояние основных направлений плазменнойаэродинамики. ..................................................................................................................

71.1Безэлектродный разряд СВЧ диапазона в покоящемся газе ........................ 71.1.1 Электродинамическая модель эволюции СВЧ стримера ....................... 111.2Лазерный разряд в газах................................................................................... 131.3Основные явления происходящие при вложении ЭМ энергии всверхзвуковые потоки. .............................................................................................. 201.4Обзор взаимодействия тепловых следов плазменных образований иударными волнами ..................................................................................................... 3023Глава 2.

Лазерно-инициированный микроволновый пробой ............................ 342.1Описание экспериментального стенда плазменной аэродинамики. ........... 342.2Лазерный пробой в газе ................................................................................... 392.3Эффективность вложения лазера пикосекундного диапазона. .................... 422.4Лазерная инициация СВЧ разряда .................................................................. 482.5Увеличение длинны СВЧ разряда.................................................................. 522.6Спектральные исследования ...........................................................................

61Глава 3. Приложения к газодинамическим объектам......................................... 663.1Результат взаимодействия самостоятельного СВЧ разряда с ударнойволной ......................................................................................................................... 663.2Результат взаимодействия лазерных разрядов (одиночного и двойного) сударной волной. ......................................................................................................... 693.3Воздействие на поток лазерно-инициированных СВЧ импульсов. ............

7313.3.1 СВЧ разряд, инициированный одиночной лазерной искрой ................. 733.3.2 СВЧ разряд, инициированный двойной лазерной искрой ..................... 76Заключение .................................................................................................................... 81Список литературы ....................................................................................................... 842ВведениеРаботы по использованию электромагнитных разрядов в различныхприложениях газо- и аэродинамики ведутся достаточно давно.

Исследованиявключают изучения методов и последствий вклада энергии в поток газапосредством лазерного, СВЧ, барьерного и поверхностного разрядов[1-8].Объектами исследования являются эффекты изменения параметров обтекания тел,степень турбулизации зоны отрыва за счет влияния на пограничный слой. Важнойзадачей является исследования воздействия вложений ЭМ энергии в сверхзвуковойпоток на головную ударную волну у сверх и гиперхзвуковых аппаратов. К такимисследованиям необходимо отнестиработы группы ученыхпод руководствомакадемика В.А.

Левина по отрыву ламинарного [9] и турбулентного [10]сверхзвукового пограничного слоя, при энерговложениях в виде электрическогоразряда, а так же работы по влиянию на обтекание аэродинамических тел [11].Вопросы применения в аэродинамике тлеющего [12], лазерного [13] , и прочих [14]освещены в работах коллектива под руководством академика В. ФоминаОсобый интерес к управлению сверхзвуковыми потоками путем вложенияСВЧ и лазерной энергии подчеркивается совместными экспериментально –расчетными работами проводимыми ОИВТ РАН(В. Бровкина, Ю.

Колесниченко),университете Ратгерса (проф. Д. Кнайта) и вычислительного центра РАН ( О.Азаровой), [6],[15-18].Вышеперечисленные исследования относятся к тепловому типу воздействияна поток, электромагнитные разряды при этом служат лишь источником нагрева.Другой способ воздействия – применение магнитогидродинамических эффектовподробно рассмотренных в работах исследователей ОИВТ РАН(например,А.Бочарова [19]) и ФТИ имени Иоффе (С.В Бобашев. например, [20] [21]).3Достоинствами всех перечисленных методов управления обтеканиемявляются: отсутствие необходимости использования механических частейлетательного аппарата для воздействия на обтекающий на поток, малаяинерционность, полностью электронное управление процессом.

Значительноеразнообразие видов электромагнитных разрядов принципиально позволяетпроизводить энерговложения в поток вогромномдиапазоневременных ипространственных параметров.Данная работа посвящена исследованию возможности реализации лазерноинициированного микроволнового разряда в сверхзвуковом потоке воздуха и егоиспользовании для задачи изменения обтекания тела. Данный вид разряда можетбыть реализован с применением хорошо освоенных СВЧ генераторовдиапазоном импульсной выходной мощности100-200 киловаттси наличиеширокого класса твердотельных лазеров, позволяющих достичь пробойнойнапряженности поля в газе для важного на практике диапазона давлений (40760Торр). Лучевой характер вложения энергии позволяет получать необходимыеразряды на удалении от летательного аппарата, с возможностью локализацииэнерговложениявовремениипространстве.Важнойособенностьюкомбинированного разряда является возможность получения микроволновоговложения энергии в поток с наиболее оптимальной для аэродинамическихприложений пространственной формой.Все перечисленные моменты делают исследование комбинированноголазерно-микроволнового разряда в сверхзвуковом потоке воздуха интересной иактуальной задачей.4ЗадачиЦелью работы является исследование способов реализации и условийвозникновения лазерно-инициированного вложения в сверхзвуковой поток газа(воздуха) и эффектов связанных с аэродинамическими приложениями этихвложений.

Эти исследования должны включать оценки эффективности влиянияэнерговклада комбинированного разряда на ударно-волновые структуры иобтекание тела в сверхзвуковом потоке, нахождение оптимальных параметровразряда для достижения наибольшего аэродинамического эффекта.Основные результатыРабота содержит новые результаты, среди которых можно выделитьследующие наиболее важные:- В сверхзвуковом потоке воздуха подтверждается снижение порога для СВЧразряда при лазерной инициации.- В сверхзвуковом потоке газа возможна реализация оптического пробоя счастотами недоступными для покоящегося газа.- СВЧ разряд может позиционироваться в пространстве тепловым следомлазерной искры.- Для инициации СВЧ разряда лазерной искрой целесообразно применениелазерных импульсов с минимально достаточной для получения оптическогопробоя энергией, при минимальной длительности- Экспериментально подтверждено развитие вторичной волны ионизациимежду СВЧ плазмоидами при их инициации двумя последовательными лазернымиискрами.

Обнаруженный эффект снимает ограничения протяженности СВЧразряда величиной в 2/3 длинны волны..Результатыработыимеютпрактическуюценность,таккакмогутиспользоваться в приложениях плазменной аэродинамики для снижения лобового5сопротивления и создания управляющих моментов летательными аппаратами насверх и гиперзвуковых скоростях.ДостоверностьОсновные результаты работы были опубликованы в двух периодическихизданиях индексируемых базой данных Scopus1.Mashek I.C., Lashkov V.A., Khoronzhuk R.S., Potapenko D.P., and Brovkin V.G.Microwave energy deposition in supersonic flows on laser-initiated dipole structures //AIAA-2014-0487.2.Khoronzhuk R.S., Karpenko A.G., Lashkov V.A., Potapenko D.P., and MashekI.C.

Microwave discharge initiated by double laser spark in supersonic airflow. // J.Plasma Physics, Vol. 81, No. 03, June 2015и сделано 10 докладов на Российских и международных конференциях:всероссийскаяконференция«Физиканизкотемпературнойплазмы»,Петрозаводск, 2011, JointErcoftac/PlasmaaeroWorkshop 2012, Toulouse, workshop“Thermochemical processes in plasma aerodynamics”.

St.Petersburg, 2012, 5th Europeanconference for aeronautic and space sciences2013, Munich, 13th InternationalWorkshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, Moscow, 2014, The American Instituteof Aeronautics and Astronautics Aerospace Sciences Meeting 2014, Maryland, 6thEuropean conference for aeronautics and space sciences, Krakow, 2015, the 15thInternational Symposium on Flow Visualization, Minsk, 2012.61Глава1Современноесостояниеосновныхнаправленийплазменнойаэродинамики.1.1 Безэлектродный разряд СВЧ диапазона в покоящемся газеОсобенности пробоя газа излучением СВЧ диапазона достаточно подробноописаны в работе [22].

В соответствии с этими работами для СВЧ диапазонахарактерна малость амплитуды колебаний электрона по сравнению с размерамиразрядного объема. По этой причине электроны и ионы в своем движении поддействием поля не касаются стенок, поле не толкает энергичные частицы кповерхностям области разряда, эмиссионные процессы роли не играют.Электронная лавина локализована, т. е.