Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер - Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений (1161617), страница 56
Текст из файла (страница 56)
В данном случае магнитное поле возвратного тока, текущего по шине, отталкивает плазму с текущим по ней раарядным током в сторону вертикальной трубки, дополнительно ускои ряя ее. Как говорят, на плазму действует «магнитпый поршень». Плазма выплескивается в вертикальную трубку с еще большей скоростью, создавая в последней еще более мощную ударную волну, чем в отсутствие магнитного поля. Размеры магнитной ударной трубки невелики: радиус примерно 1,5 сл, длина вертикальной части — 12 сл. В одном нз типичных опытов Колба трубка наполня— лась дейтерием с начальным давлением 0,7 мм рт.
ст, Емкость конденсаторной бари«. тьб. Схема элептромат- тареи составляла С = 0,52 з«кф; она заряжанитной трубки Колба. лась до Р = 50 кв. Как показала осцилло- грамма разрядного тока, частота разряда равнялась у = 700 кгц. При этих параметрах была достигнута максимальная скорость ударной волны, // = 90 км/сек (на расстоянии 3,5 сл~ от разрядной части трубки). Волна ослабляется по мере распространения, например, на расстоянии 9 см скорость ее падает до 75 кз«/оак.
Температура за фронтом ударной волны при /) = 90 кз«/сек равна примерно 120 000' К *). Убедимся при помотци простой оценки в том, что магнитная сила при указанных параметрах действительно может разогнать плазму до «) Эта температура вычислена по скорости фронта прк помощи ударной адпабаты с учетом эффектов диссоциация и коппзацип, по беа учета потока излучения о фронта, так как он маа вследствие прозрачности газа. 208 [гл. Уу УДАРНЫЕ ТРУБЫ такой высокой скорости. Без учета затухания (которое невелико) раарядный ток с момента пробоя иаменяется по синусоидальному закону 1 = 1„, Мп о»г, где о» = 2яу, а 1„, = Р (С/Ь)п« = УС»» (Ь вЂ” самоипдукция контура, в данном случае равная 0,1 мягн). Максимальный ток равен 1,„= 115 000 а = 1,15 10» с/10 единиц СГСЗ.
Ток 1, текущий по шине, создает на расстоянии г от нее магнитное поле Н = 21/сг. В качестве среднего расстояния между шиной и плазмой можно принять радиус трубки. Магнитное поле действует на плазму как поршень с давлением Н'/8я. Скорость и, которую приобретает плазма под действием такого давления, определяется очевидным соотношением Нв/8я рп», где о— плотность; отсюда и = Н/)'8яй = 1/сг )/2л~. В качестве 1 возьмем средний ток 1 = (1»)'~» = 1, ф"2.
Подставляя в формулу для скорости г = 1,5 сз«, 9 = 0,74.10-' г/см» (это — плотность дейтерия при давлении рр — — 0,7 мм рт. ст. и комнатной температуре) 'и величину тока, получим и = 80 км/сгк. Таким образом, магнитный поршень разгоняет плазму до скорости порядка наблюдаемой (Р ж90 км/оек). Заметим, что время действия магнитного поршня, которое порядка г ж г/и 1,9 10-' сгк, меныпе четверти периода рааряда Т/4 ж 1/4у = 3,6 10-' сек. Весь процесс ускорения плазмы происходит в первую четверть периода разряда, пока ток яе вырастает до максимального значения.
В сделанном расчете мы пренебрегали ускорением за счет чисто теплового расширения плаамы, нагретой раарядным током, Оценки показывают, что действительполтввчвппо йло. но основнУю Роль в УскоРении игРает магнитнов ктроды звштрпхо- давление, а не тепловое. Для увеличения магнитного вазы. давления, действующего на плазму, в некоторых опы- тах к магнитному полю возвратного тока (которое при 1 =- ы" = 80 000 а и г = 1,5 сг«равно примерно 11 000») добавлялось еще и внешнее магнитное поле того же направления ( 15 000 г).
В Т-образной трубке Колба очень важно получить большую скорость нарастания тока и большую амплитуду тока (высокую частоту разряда), т. е. нужно принимать специальные меры для максимального уменьшения самоиндукции контура в). По принципу «магнитного поршня» действует и другая трубка, построенная С. Р. Холеным и Д. С. Полтавченко (9), схема которой показана на рис. 4.5. Разрядный ток течет в радиальном направлении между электродами, одним из которых служит стержень, расположенный на оси трубки, а другим — цилиндр вблизи поверхности трубки.
Радиальный ток разряда взаимодействует с концентрическим магнитным полем тока, текущего по центральному электроду. Пондеромоторная сила направлена вдоль оси трубки и ускоряет плазму в этом направлении. Вдоль трубки распространяется ударная волна. Характерным является выбрасывание плазмы из межэлектродной области, отрыв ее от «дна» трубки под влиянием магнитного поля, которое действует подобно поршню.
в) Укажем на работу (8), авторы которой получали интенсивные ударные волны в Т-образной трубке,напояняемой водородом и гевиен,п исследовали свечение нагретого газа в спектральных лнппях. 209 методы измеренип РАзличных величин $51 Эксперименты ставились с воадухом. Наиболее интенсивная ударная волна с числом Маха М 250, 1) 80 км/сек, Т, = — 130 000' К была получена при следующих параметрах: С = 2400 мкф, Р = 5 кв, ж 560 000 а (трубки делались из плексигласа и имели диаметр от 2 до 5 см и длину от 50 до 90 см).
Волна довольно быстро затухает при распространении по трубе. Слабо затухающие ударные волны, но зато меньшей амплитуды (Аг =10 км/сек), получены на установке С. Р. Холева и Д. И. Крестниковой (10). Принцип действия описанной выше трубки С. Р. Холева и Д. С. Полтавченко имеет много общего с принципом действия кочьцевой трубки, построенной Патри- ~4 '1/г" ком (11). Иозефсоном (12) описана трубка с коническим насад- 1 ком. К цилиндрической трубе присоединяется конический насадок (рис.
4.6). На конце его расположен центральный электрод. Вторым электродом служит кольцо на стыке цилиндрической и конической частей трубки. По образующим конуса идут шины воавратного тока. При разряде Рис. 4.6. Схема происходит магнитное сжатие плазмы к оси — «пинчэффект», причем радиальное сжатие начинается у цент- с„нм асад рального электрода и постепенно охватывает слои, более ком,электроды близкие к центральному. Затем нагретая сжатая плазма заштрихованы. выбрасывается в цилиндрическую трубку, образуя в ней ударную волну. В работе [13) такая трубка применячась для разгона сильно раареженного воздуха до скоростей порядка 12 км/сек (М ж 40, Т, 12 000' К) и иссчедования обтекания моделей, имитирующих головки ракет.
Более подробно с вопросами конструкции электромагнитных ударных трубок и работы с ними можно познакомиться в сборнике переводов (14). $5. Методы измерений различных величин К настоящему времени разработаны и широко применяются разнообразные методы наблюдения быстропротекающих процессов в ударных трубках и измерения различных величин: скорости фронта ударной волны, плотности, температуры и др. Описанию этих методов и изложению полученных с их помощью результатов посвящена обширная литература.
Со многими вопросами можно познакомиться в книгах (3, 4, 18, 19) и обзорах (1, 2); там же имеются многочисленные ссылки на журнальные статьи. Мы здесь не будем останавливаться на детальном рассмотрении методов эксперимента и только коротко перечислим основные из них.
При этом мы придерживаемся в основном классификации методов, принятой в обзоре (2). 1. Высокоскоростная фотографическая съемка. Газ одинамический процесс можно фотографировать либо благодаря собственному свечению газа, нагретого до высокой температуры, либо в свете постороннего источника. Разработаны и применяются камеры, которые позволяют производить киносъемку быстропротекающих процессов с частотой вплоть до миллионов кадров в секунду *). Широко применяется также метод е) Ссылки на работы советских ученых н конструкторов — создателей уникальных высокоскоростных камер в гл Х1. 14 я.
в. зев»воен«, ю. и. Рааеер. 2(О [гл. гу УДАРНЫЕ ТРУБЫ фотораавертки, при котором пучок света, отражаясь от вращающегося зеркала, непрерывно бежит по пленке, так что движущийся светящийся объект (скажем, фронт ударной волны) описывает на пленке непрерывную наклонную линию. По наклону линии можно определить скорость движения объекта.
2. Измврепив плотности. Иамерение распределения плотности газа в неравновесном слое за скачком уплотнения имеет особо важное значение, так как распределение плотности связано со скоростями релаксационных процессов (см. гл. ЧН). Именно таким способом были в основном определены скорости возбуждения колебаний и диссоциации молекул при высоких температурах. Для измерения распределения плотности применяется главным образом интерференционный метод, в основе которого лежит тот факт, что коэффициент преломления газа изменяется при иаменении его плотности.
На изменении коэффициентов преломления при движении сжимаемого гааа основаны и другие важные оптические методы наблюдения поля течения: шлирен-метод и теневой. Однако наиболее точные количественные данные по распределению плотности дает интерференционный метод *). В работах Хорнига и др. [3] распределение плотности во фронте слабых ударных волн определялось по отражению света от поверхности фронта. Начальная плотность газа подбиралась так, чтобы толщина фронта ударной волны была сравнима с длиной волны света. При этом условии коэффициент отражения зависит от толщины переходного слоя и распределения плотности (т. е. коэффициента преломления) в нем. Таким образом были измерены толщняы фронта и скорости возбуждения вращений молекул в слабых ударных волнах. Распределение плотности газа измерялось также по рассеянию электронного пучка, по поглощению рентгеновских лучей.
3. Иззкервпив концентрации компонент заза. В ряде случаев, когда в неравновесном слое за скачком уплотнения протекает диссоциация молекул или химическая реакция, можно непосредственно следить за изменением концентрации определенных частиц. Это обычно возможно, если какие-нибудь частицы обладают резко выраженным по сравнению с другими частицами поглощением света. Так, например, изучалась диссоциация молекул брома и йода в ударной волне, диссоциация молекул кислорода и т.
д. Молекулы брома и йода сильно поглощают видимый свет, тогда как их атомы не поглощают его;молекулы кислорода обладают характерной системой полос поглощения в ультрафиолетовой области (см. гл. Ч). 4. Измерение испускания и поглощения свето. Во многих работах производились спектральные измерения интенсивности испускания света гааом, нагретым ударной волной. Зная плотность газа и температуру, можно таким образом определить лучеиспускательную способность при разных температурах и в разных участках спектра. Свет обычно регистрируют фотографическими методами или при помощи фотоумножителей. По лучеиспускательной способности с помощью аакона Кирхгофа (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
