Диссертация (1149204), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Дляинициации разряда при давлениях выше 100 Торр применялся инициаторсостоящий из двух медных проводников в керамических трубках. Были проведеныизмерения колебательной и кинетической температур плазмы СВЧ разряда взависимости от давления в камере и мощности СВЧ –излучения. Экспериментыпроводились в потоке с числом Маха 2. В качестве перспективного применениятакого разряда указывался поджиг углеводородного топлива.27В 2005 году в работе [45] исследовался эффект взаимодействия импульсноговложения энергии Nd:YAG лазера на ударно-волновую структуру и давлениеторможения на поверхности аэродинамического тела в потоке с числом маха 3.45.Визуализация результатов проводилась методом теневой фотографии, фиксацияпараметровдавлениянесколькимиимпульснымидатчикамидавленияразмещенными на поверхности аэродинамического тела.
Было отмечено снижениедавление от 40 до 30% в зависимости от конфигурации эксперимента.В 2006 году группой ученых из СПбГУ и ОИВТ АН был изучен механизмснижения лобового сопротивления аэродинамического тела при взаимодействииголовной ударной волны с газом, нагретым СВЧ разрядом [15] . Причинойоказалось возникновение вихревой структуры позади ударной волны, благодарякоторому и происходит отход головной ударной волны от аэродинамического тела.Более подробно этот эффект рассмотрен в 1.4.Ряд интересных экспериментов описан в [46].
Для инициации СВЧ (3ГГц, 2575мджвимпульседлительностью1-3мкс)филаментовиспользовалсяфемтосекундный лазер (200фс, 800нм, 1.5-200мДж). Использовались различныеконфигурации фокусирующих систем для лазерного излучения: одиночный тонкийканал (2см длинна, 100мкс диаметр), два параллельных канала, четыре канала посторонам прямоугольника. Во всех случаях СВЧ разряд развивался вдольпредионизованных лазерным излучением каналов, таким образом была показанавозможность управления формой СВЧ разряда при помощи слабой предионизациигаза.
Методом регистрации обратного Рэлеевского рассеяния были зафиксированытемпературы до 1200К. Оценена эффективность вложения СВЧ энергии в нагревгаза –около 20%.В 2010 и 2011 году на базе ОИВТ РАН были проведены и опубликованыработы [47] [48] по инициации СВЧ разряда лазерной искрой. Экспериментыпроводились в покоящемся воздухе при различных (130…750 Торр) давлениях.28Рис 9 Пробойные поля для излучения СВЧ диапазона при лазернойинициации. [43]Использовался Nd:YAG лазер (LF117, Solar TII, Минск) с длинной волны 532нм,длительностью импульса 10нс и энергией в импульсе 200-500мДж.
Лазерный лучфокусировался в области фокуса СВЧ системы линзой с фокусным расстоянием45мм. СВЧ источник на основе магнетрона с длинной волны 2.3см, мощностью вимпульсе до 600кВт и длительностью импульса до 4мкс в купе с фокусирующейсистемой позволял получить напряженность электрического поля до 5.5 кВ/см. Порезультатам работы авторы делают вывод что значительное влияние науменьшение порогов пробоя для СВЧ излучения обусловлено газодинамическимивозмущениями созданными лазерной искрой. Сделано предположение, что назначительное снижение порога пробоя для СВЧ на малых же временах задержки(около 10 мкс, Рис 9 [47]) оказывает влияние усиления СВЧ поля наведеннымиобъемными зарядами на полюсах ядра лазерной искры в виду того, что ядролазерной искры сохраняет проводимость до 100мкс [49]..29В 2012 году была опубликована работа [50] по исследованию оптическогопробоя в сверхзвуковом потоке воздуха при больших давлениях(1.8 Мпа).Исследования проводились в потоках с числами Маха 1,7-3,7.
Использовалсямощный лазер с механической модуляцией добротности (частота следованияимпульсов до 80кГц, импульсная мощность до 200кВт, средняя мощность 4.5кВт).Одним из интересных результатов работы является коэффициент поглощениялазерного излученияплазмой лазерного пробоя, который достигал 60%( придавлении 1.5Мпа в потоке с числом Маха соответствующим 1.99).1.4Обзор взаимодействия тепловых следов плазменныхобразований с ударными волнамиПеред телом, двигающимся в газе со сверхзвуковой скоростью образуетсяударная волна, т.е. поверхность разрыва на которой такие параметры газа какскорость, давление, температура и плотность испытывают скачек.
Это явлениекоренным образом меняет обтекание тела в потоках с числом Маха более 0.9.Появление ударной волны характеризуется увеличением лобового сопротивленияаэродинамического тела и увеличением теплового потока на ее поверхности.Ударные волны образующиеся на элементах конструкции летательного аппаратаприводят к образованию нестационарных течений и изменению точек приложенияаэродинамических сил.Одним из методов воздействия на ударно-волновые структуры возникающиепри движении аэродинамического тела сосверхзвуковой скоростью (всверхзвуковом потоке воздуха) является создание нагретой области перед ударнойволной вверх по потоку (Рис 10). Подобное воздействие возможно, в частности привложении ЭМ энергии методами рассмотренными раннее.Взаимодействию ударной волны с областями нагретого СВЧ разрядом газа(например [15], [39]), либо с «пузырем» из более плотного или легкогогаза(например [18]) посвящено множество работ30Рис 10 Воздействие на головную ударную волнупосредством нагрева области газа перед ней..Рис 11 Постановка задачи о взаимодействии ударнойволны в воздухе в длинной нагретой областью [60] .31Постановка задачи о взаимодействии нагретой области газа с ударной волной(см.
Рис 11): 1 и 6 – области воздуха разделенные головной ударной волной(ГУВ),⃗ ,ударная волна(УВ), двигающаяся в правом направлении со скоростью ⃗⃗⃗ ) и волны разряженияконтактного разрыва (КР, двигается влево со скоростью (ВР, двигается влево). Для удобства вводится параметр =, где , –плотность газа вверх по потоку от ударной волны и внутри нагретой областисоответственно.Поскольку скорость звука в газе пропорциональна корню из температуры:=√где R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, М –молярная масса, - показатель адиабаты, то при контакте ГУВ с нагретой областью2 в последней начинает распространяться УВ с большей чем у ГУВ скоростью.
ЭтоРис 12 Скорость спутного потока⃗⃗ в зависимости от степени нагрева и числа Маха [60]⃗ зависит как отприводит к образованию зон 3-4-5. При этом значение скорости нагрева так и от числа Маха потока.32Как можно заметить из Рис 12 скорость спутного потока может быть дажеотрицательной при определенных параметрах эксперимента.Области газа 3,4,5 двигаются относительно области 6 с некоторой скоростью,что приводит к образованию вихря. Поскольку задача симметричная относительнооси х (Рис 11), то вихрь тороидальный. Именно образование этого вихря являетсяпринципиальным механизмом такого типа воздействия на ударную волну. В работе[15] описан метод усиления данного вихревого течения путем добавления в торецаэродинамического тела полости.В работе [39] подробно рассматривалось влияние таких параметров, какрадиус, его температура и протяженности нагретой области газа на коэффициентсопротивления аэродинамического тела.
При моделировании замечены следующиетенденции: эффективность вложения энергии растет с увеличением длинны нагретой области увеличением радиуса аэродинамического тела в случае затупленногоцилиндра уменьшением радиуса нагретой областиТак же в работе [39] отмечается сильная зависимость давления торможения натупом цилиндре при смещении области вложения энергии от оси. Вплоть дообратного эффекта – увеличения давления.Таким образом дляреализацииконтролируемого влияния на головнуюударную волну путем нагрева газа перед ней вверх по потоку при условиинеизменности параметров аэродинамического тела и потока необходимоконтролироватьположение,длину,диаметр,степеньнагреваобластиэнерговложения.332Глава 2.
Лазерно-инициированный микроволновый пробой2.1Описание экспериментального стенда плазменной аэродинамики.Экспериментальная установка схематично изображена на рис. Рис 13 и состоитиз нескольких блоков — СВЧ генератор с фокусирующей системой, рабочаякамера, двухимпульсный лазер, система синхронизации.Схема экспериментальной установки. 1 —поворотная призма, 2 — фокусирующая системаСВЧ(условно), 3 — фокусирующая линзалазера, 4 — двухимпульсный лазер, 5 — соплоаэродинамическойтрубы, 6 — диффузораэродинамической трубы, 7 — рупор дляподводаСВЧ излучения, 8 –область фокусалазерного излучения, 9 – апертура теневой схемыТеплера.Рис 1334СВЧ генератор реализован на базе магнетрона Ми-505 и позволяетгенерировать импульсы с несущей частотой 9,6 ГГц и мощностью в импульсе до200кВт, длительность импульса от 0,5 до 3 мкс, частота повторения импульсов от1 до 10Гц.Фокусирующая система СВЧ (Рис 16) квазиоптическая, представляет собойцилиндрический параболоид изготовленый из плоских ламелей таким образом, чтов поперечном направлении является практически прозрачной и не препятствуетоптическим каналам диагностики.
Область фокуса представляет собой вытянутыйвдольосисверхзвуковогопотокаэллипсоидвращения.Дляпроверкираспределения поля внутри антенны производились измерения пробным диполемна малых сигналах (через ослабитель). Несимметричность вызвана возмещениемвнутри антенны вызванным державкой измерительного диполя. Максимальная⃗ ориентирован вдольнапряженность СВЧ поля в области фокуса 4,5кВ/см,вектор ⃗потока воздуха, что позволяет получать самоинициированные СВЧ разряды придавлениях до 100 Торр. Данная конфигурация фокуса СВЧ излучения способствуетполучению протяженных вдоль оси сверхзвукового потокаплазмоидов, чтонаиболее выгодно для аэродинамических приложений ( например [15], [39] [18]).Использовалась аэродинамическая сверхзвуковая труба с рабочей камеройэжэкторного типа.В экспериментах обеспечивался следующий режимсверхзвукового потока: диаметр струи 30мм, число Маха потока M=1,5, режимистечения расчетный, статическое давление в потоке порядка 150 торр.Двухимпульсный Nd:Yag лазер с раздельным управлением каналами излучаетна второй гармонике (532нм) импульсы длительностью 6 нс и энергией до 145 мДжкаждый (Tvergreen145).
Лазерное излучение сфокусировано линзой с фокуснымрасстоянием 23 мм, электрическое поле лазерного излучения в области фокуса,приближенно равно , ∙ В/см. Это позволяет устойчиво получать лазерныйразряд в диапазоне статических давлений от 140 до 760 торр.35Рис 14 Фотография экспериментальной установки по исследованию лазерноиндуцированных СВЧ разрядов в сверхзвуковом потоке воздуха. 1 – ходлазерного луча, 2 –рабочая камера, 3 –лазерная фокусирующая линза, 4 – соплоаэродинамической трубы, 5 – фокусирующая система для СВЧ излучения, 6подвод СВЧ энергии(волновод, рупор), 7 – аэродинамическая модель, 8 –диффузор аэродинамической трубы, 9 – окно Шлирен-системы, 10 –лазер.36Рис 15 Фотография рабочей области экспериментальной установки поисследованию лазерно-индуцированных СВЧ разрядов в сверхзвуковом потокевоздуха.1 – лазерный луч, 2 – окно Шлирен-системы, 3 –сопло аэродинамическойтрубы, 4 – фокусирующая система для СВЧ излучения.
5 волновод для подводаСВЧ энергии, 6 - аэродинамическая модель, 7 – диффузор аэродинамическойтрубы, 8 – фокусирующая система для лазерного излечения(линза).37Рис 16 Фокусирующая система для СВЧ излучения. Особенностиконструкции и распределение поля38Визуализация газодинамических процессов осуществляется теневой схемойнабазеприбораИАБ450,имеющимфокусноерасстояние2метраПространственно – временная регистрация самосвечения разрядов, их формы,картин обтекания осуществляется высокоскоростной камерой оснащенной ЭОПPCO Dicam.pro с разрешением 1024x1024 точки и минимальной выдержкой 5 нс.Система синхронизации и управления экспериментом реализована на базеуниверсальной платы NI-USB 6343с программным обеспечением на LabView.2.2СцельюОдиночный и множественный лазерный пробой в газеопределениявозможностейустановкииисследованияэффективности вложения энергии лазерного импульса в аэродинамическиеструктуры, при различных статических давлениях (100-760Торр) был произведенряд экспериментов в покоящемся воздухе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
