СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УДАРНО СЖАТОГО СЛОЯ ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к физике плазмы, преимущественно к физике и технике процессов, сопутствующих сверхзвуковому обтеканию тел высокоскоростными потоками плазмы, и может быть использовано, в частности, при моделировании структуры и излучения ударно сжатого слоя потока при движении космических аппаратов, планетных зондов, метеороидов и других космических объектов (КО) в атмосфере Земли на высотах 30-200 км и выше, при движении КО сквозь атмосферу планет Солнечной системы, а также при изучении теплофизических свойств материалов, применяемых в ракетно-космической технике.

Физика явлений, сопровождающих вход в земную атмосферу космических тел, является предметом исследования метеорной астрономии [1]. Основой физики метеорных явлений являются процессы торможения и потери массы КО в атмосфере, особенности движения в атмосфере крупных тел, формирующих ударную волну и ударно сжатый слой (УСС) со свечением и ионизацией. Сложность проблем, связанных с моделированием взаимодействия КО с атмосферой, неизбежно приводит к использованию понятий газовой динамики, гиперзвуковой аэродинамики и физики плазмы.

В настоящее время при разработке оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) в рамках научно-исследовательских программ проводят комплексные исследования излучения верхних слоев атмосферы Земли и околоземного космического пространства во всех диапазонах оптического спектра с целью получения данных, необходимых для моделирования атмосферных явлений естественного и техногенного происхождения. В результате выполнения таких программ создано новое направление в разработке ОЭА - дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) в УФ и ВУФ диапазонах спектра. С помощью его решают, в том числе, задачи наблюдения входа КО в атмосферу по свечению вблизи объекта ударно сжатого слоя воздуха и продуктов эрозии его поверхности.

Одним из основных методов, используемых в исследовании возможности наблюдения входа КО в атмосферу по свечению ударно сжатого слоя, сопутствующего движению объекта, наряду с численным, является метод экспериментального моделирования.

Известен способ получения ударно сжатого слоя [Теоретические и экспериментальные исследования гиперзвуковых течений при обтекании тел и в следах. Под ред. Г.Г. Черного и С.Ю. Чернявского. М., МГУ, 1979] путем гиперзвукового обтекания тел высокоскоростным потоком газа, где для образования УСС используют аэробаллистические установки. При этом требуемые скорости полета модели тела достигаются при использовании газовых пушек, а модель движется в невозмущенном газе.

Недостатками данного способа являются ограничения по максимальной скорости метания до 10-12 км/с, ограниченный выбор формы и материала моделей тел для метания.

Известно устройство для реализации этого способа [Теоретические и экспериментальные исследования гиперзвуковых течений при обтекании тел и в следах. Под ред. Г.Г. Черного и С.Ю. Чернявского. М., МГУ, 1979], которое является двухступенчатой газовой установкой и состоит из первой камеры-ступени со сжатым газом и второй ступени, где сжимается легкий рабочий газ (водород), который в свою очередь ускоряет тело. В первой ступени используется сжатый гелий или продукты порохов. Обе ступени разделены диафрагмой или свободным поршнем.

Вследствие больших перегрузок метаемого тела установки с легким поршнем или диафрагменные используются лишь при аэробаллистических исследованиях достаточно прочных моделей простой формы. Двухступенчатые водородные установки с тяжелым поршнем и высокой степенью сжатия используют в качестве источника энергии пороховой заряд. Наибольшая скорость 11,2 км/с на таких установках достигнута для модели тела в форме диска диаметром порядка 5 мм.

Недостатками данного устройства являются ограничения по максимальной скорости метания до 10-12 км/с, ограниченный выбор формы и материала моделей тел для метания, сложность конструкции и трудоемкость его эксплуатации. Существующие гиперзвуковые метательные устройства практически подошли к пределу своих возможностей.

Известен выбранный нами в качестве прототипа, способ получения УСС плазмы [Под ред. Тирского А.Г. Гиперзвуковая аэродинамика и тепломассообмен спускаемых космических аппаратов и планетных зондов. М. Физматлит, 2011. 546 с.], включающий электромагнитный нагрев газа, ускорение газа и сверхзвуковое обтекание неподвижной модели тела. В указанном способе экспериментального получения ударно сжатого слоя около тела воздух при комнатной температуре с постоянным расходом подается через кольцевое сопло в разрядный канал индукционного плазмотрона (установка ВГУ-4 с кварцевой цилиндрической трубкой длиной 400 мм и диаметром 80 мм). Нагреваясь в индукторе высокочастотным электрическим полем, поток воздушной плазмы вытекает в барокамеру через коническое звуковое сопло, расположенное в конце разрядного канала. Модельное тело, расположенное соосно с вытекающей недорасширенной струей на некотором расстоянии от выхода из разрядного канала, взаимодействуя с набегающим из разрядного канала индукционного плазмотрона потоком высокоэнтальпийного воздуха, создает ударно сжатый слой нагретого газа вблизи обтекаемой поверхности тела с его последующей регистрацией методами высокоскоростной теневой фотосъемки.

Однако данный способ получения УСС с гиперзвуковым обтеканием тела имеет существенные недостатки и ограничения. Он использует в качестве рабочего вещества ограниченный круг газов (азот, CO₂, воздух), требует предварительной подготовки больших объемов рабочей газовой смеси с последующей подачей ее в рабочий замкнутый объем с использованием сложной технологии смешения газов на аттестованной аппаратуре. Кроме того, предельная скорость набегающего потока V_∞ также ограничена и достигает величины не более 12 км/с.

Для осуществления этого способа требуются гигантские мощности для обеспечения соответствующей кинетической энергии потока при обтекании неподвижной модели тела.

В качестве прототипа устройства нами выбрана импульсная аэродинамическая труба (ИТ-2) Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского [Под ред. Тирского А.Г. Гиперзвуковая аэродинамика и тепломассообмен спускаемых космических аппаратов и планетных зондов. - М. Физматлит, 2011. 546 с.], которая представляет собой многорежимную электроразрядную установку с конденсаторным источником электропитания с запасенной энергией до 550 кДж. Высокие значения давления и температуры газа в разрядной камере, выполненной в виде цилиндрической трубы, достигаются путем нагревания рабочего газа (азот, CO₂) импульсным электрическим разрядом большой мощности. При этом расчетное течение газовой плазмы в рабочей части установки сохраняется до 100 мс. Труба оснащена коническими соплами с углом раствора 10⁰. В различных режимах испытаний импульсная аэродинамическая труба позволяет получать потоки рабочего газа с числами Маха до 20 и числами Рейнольдса Re_∞ в диапазоне 10⁵-10⁶.

Описанное устройство, также как и способ, не может быть использовано для решения задач, связанных с получением сверхзвукового течения около КО и высокотемпературных физических явлений, сопутствующих движению КО (например, метеороидов) со скоростью входа в атмосферу V=16-70 км/с. Оно не соответствует требованиям современной гиперзвуковой аэродинамики и плазмодинамики, когда планируются разработки космических систем и аппаратов с орбитальными скоростями входа в атмосферу 16 км/с и более.

Заявляемая нами группа изобретений позволяет получать ударно сжатый слой плазмы и структуру течений около модельного тела заданной формы* (*Под заданной формой модельного тела мы понимаем тело в виде конуса, клина, цилиндра, затупленное тело с углом полураствора для конуса и клина Θ, радиусом кривизны для затупленного тела Ro , характерной длиной тела L_мт.) высокоскоростных, до 50 км/с и выше, потоков практически любого химического и ионизационного состава.

При проведении плазмодинамических исследований нами впервые было показано, что важному требованию моделирования режимов потока в высотной гиперзвуковой аэродинамике при широком диапазоне чисел Маха (М_∞=1…30) и Рейнольдса (Re_∞≥1) соответствует поток плазмы, создаваемый при струйном диафрагменном разряде (см. фиг. 1), а именно: структура возмущенной области вблизи модельного тела при обтекании потоками плазмы струйного диафрагменного разряда на промежутке диафрагма - кольцевой электрод обладает свойствами автомодельных течений, т.е. с пропорциональностью геометрических размеров соблюдается пропорциональность величин (скорости, давления, плотности), определяющих течение плазменного потока обтекающего модельное тело; термодинамические параметры в окрестности модельного тела заданной формы являются подобными для комбинаций параметров (плотности ρ_∞, скорости V_∞, числа Маха M_∞ и числа Рейнольдса Re_∞) набегающего потока.

Такой технический эффект достигнут нами, когда

- в способе получения ударно сжатого слоя плазмы путем взаимодействия высокоэнтальпийной струи с расположенным соосно со струей модельным телом с последующей регистрацией структуры возмущенной области вблизи модельного тела, новым является то, что высокоэнтальпийную струю формируют при струйном диафрагменном разряде в вакууме в сверхзвуковом режиме течения струй эрозионной плазмы при условиях размещения модельного тела с характерным размером Р, найденным из соотношения

Ρ≤0,5 R, где

R - радиус отверстия в кольцевом электроде, см;

на промежутке плазмообразующая диафрагма - кольцевой электрод (катод и/или анод), при скорости V_∞ набегающего плазменного потока на модельное тело на промежутке диафрагма - кольцевой электрод, найденной из соотношения

, где

V_кр=724i^0,22/(0,9r₀)^0,33 - скорость потока в критическом сечении, м/сек;

Р_о=(1+γ)[0,14i^1,34(2l₀)^0,93]/[r_о2,95(1+r₀/2l₀)^0,67] - проталкивающее давление в середине отверстия диафрагмы, Па;

Р_вак - давление в вакуумной камере, Па;

γ=c_p/c_v=1,1-1,3 - постоянная адиабаты с учетом энергии ионизации плазмы;

ω - средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, кг/с;

µµ_o=1,257 10^-6 Гн/м;

i - ток разряда, А;

r₀ - радиус отверстия в диафрагме, см;

2l₀ - толщина диафрагмы, см;

R - радиус отверстия в кольцевом электроде, см;

при скорости ω уноса массы Δm плазмообразующего вещества струи, выбранной из соотношения

ω=Δm/t_газ, кг/с, где

Δm=ml₀/V_кpt_имп - унос массы за время газообмена в отверстии диафрагмы, кг;

m - общая масса унесенных продуктов эрозии материала из отверстия в диафрагме, кг;

2l₀ - толщина диафрагмы, м;

t_имп - длительность импульса разряда, с;

V_кр - скорость потока в критическом сечении расходного сопла, м/с;

t_газ=l₀/V_кр - время газообмена в отверстии диафрагмы, с;

и при компонентном составе потока плазмы, соответствующем выбранному составу плазмообразующего материала внутренней стенки расходного сопла в отверстии диафрагмы: химических элементов и стехиометрических коэффициентов исходной формулы вещества,- а структуру возмущенной области УСС регистрируют оптическими методами по величине отхода ударной волны УСС и спектральными методами по свечению УСС;

- в устройстве для получения ударно сжатого слоя плазмы, включающем герметичную разрядную камеру с источником электропитания, газовакуумной системой, установленными на оси камеры соплом и расположенным за соплом модельным телом, новым является то, что в него дополнительно введена установленная между внесенными в камеру и выполненными кольцевыми электродами диафрагма, изготовленная с двумя соосными расходными соплами, по крайней мере одно модельное тело с характерным линейным размером Р, найденным из соотношения

Ρ≤0,5 R, где

R - радиус отверстия в кольцевом электроде, см;

размещено на промежутке диафрагма-кольцевой электрод (катод и/или анод) на расстоянии D₁ от диафрагмы, найденном из соотношения

D₁≥10r₀, где

r₀ - радиус отверстия в диафрагме, см;

в качестве источника питания выбран генератор импульсных токов струйного диафрагменного разряда с величиной тока разряда i(t), обеспечивающей скорость потока V_кр в критическом сечении расходного сопла, выбранную из соотношения

v_кр=724i^0,22 / (0,9r₀)^0,33, м/с, где

i - ток разряда, А;

r₀ - радиус отверстия диафрагмы, см;

давление Р_кр в критическом сечении сопла, выбранное из соотношения

Р_кр=[0,14i^1,34(2l₀)^0,93] / [r₀ ^2,95(l+r₀/2l₀)^0,67], Па, где

i - ток разряда, А;

r₀ - радиус отверстия диафрагмы, см;

2l₀ - толщина диафрагмы, см;

при этом диафрагма выполнена из плазмообразующего материала заданного химического и стехиометрического состава и удовлетворяет следующим условиям: отношение размеров отверстия 2r₀ и толщины 2l₀ диафрагмы выбрано из соотношения

2r₀/2l₀=1,0-2,0.

Если процесс осуществляют в газодинамическом (ГД) режиме, то в камере установлены два модельных тела в катодной и анодной части, соответственно, при этом отношение размеров отверстия 2r₀ и толщины 2l₀ диафрагмы выбрано равным 1,0, а величина тока разряда i(t) генератора импульсных токов удовлетворяет условию

i≤1,4 10³ r_о ², кА, где

r₀ - радиус отверстия диафрагмы, см (см. п. 3 Формулы).

Подходы к формированию струйного диафрагменного разряда известны, см., например, [2, 3].

Величину суммарного уноса массы m плазмообразующего материала можно определять по известной методике взвешиванием диафрагмы до и после контрольного разряда с выбранными параметрами разрядного промежутка [4, 5].

Подходы к определению компонентного состава потоков плазмы известны, см. например [4].

Оптические и спектральные методы регистрации потоков плазмы известны см., например [6-8].

На фиг. 1 представлена схема струйного диафрагменного разряда, где изображена плазмообразующая диафрагма 1, кольцевой анод 2, кольцевой катод 3.

2r₀ - диаметр отверстия диафрагмы;

2R - диаметр кольцевых анода и катода;

$${\overline{H}}_{\varphi }$$ - напряженность азимутального магнитного поля;

$$\overline{V}$$ - плазменные струи в разрядном промежутке;

$$\overline{i}$$ - ток разряда;

- направление линий азимутального магнитного поля $${\overline{H}}_{\varphi }$$ собственного тока разряда;

- направление истечения плазменных струй $$\overline{V}$$ в анодной и катодной частях разрядного промежутка;

- направление тока разряда $$\overline{i}$$ .

На фиг. 2а показана зарегистрированная возмущенная область 5 ударно сжатого слоя вблизи модельного тела 4 при обтекании его потоком плазменной струи с числом Маха (М_∞≈4), истекающей из отверстия диафрагмы 1 в сторону кольцевого катода 3 вдоль оси Ζ, где

θ_c - угол наклона скачка уплотнения (ударной волны);

θ - половина угла при вершине конуса модельного тела 4.

На фиг. 2б представлен снимок спектра излучения УСС вдоль оси Ζ набегающего потока на поверхность модельного тела в виде конуса с углом полураствора θ=45°, полученного при режиме течения плазмы катодной струи с параметрами, изложенными в примере конкретного исполнения. Вдоль оси длины волны λ нанесены обозначения спектральных линий ионов химических элементов, присутствующих в набегающем потоке и в критической точке возмущенной области 5.

На фиг. 3 показана схема устройства для реализации предлагаемого способа, где разрядная вакуумная камера 6, источник 11 электропитания, газовакуумная система 7, кольцевой анод 2, кольцевой катод 3, плазмообразующая диафрагма 1, модели тел 4, коммутатор 8, устройство 9 поджига, схема 10 синхронизации;

D₁ - расстояние вдоль оси от диафрагмы до модели тела 4;

2l₀ - толщина диафрагмы;

L - промежуток диафрагма-электрод;

2R - диаметр отверстия в кольцевом электроде;

2r₀ - диаметр отверстия в диафрагме;

L_k - индуктивность контура;

С_o - емкость высоковольтного накопителя энергии;

R_k - сопротивление контура.

Устройство, реализующее заявленную группу изобретений, работает следующим образом.

Для решения задачи моделирования УСС плазмы вблизи модельного тела с использованием предлагаемого способа, например, для КО известной формы и его химического состава, движущегося со скоростью V в стандартной атмосфере Земли на высоте Н, составляют исходные данные задачи моделирования: скорость V_∞ набегающего потока на модельное тело принимают равной скорости КО, термодинамические параметры плазмы УСС вблизи модельного тела, выполненного в масштабе относительно КО, принимают равными термодинамическим параметрам УСС вблизи КО в атмосфере на высоте Н. В соответствии с исходными данными моделирования выбирают состав плазмообразующего материала диафрагмы. Для реализации заданных термодинамических параметров плазмы УСС вблизи модельного тела с использованием струйного диафрагменного разряда выбирают величину плотности тока в отверстии диафрагмы и параметры отверстия в диафрагме (диаметр цилиндрического отверстия 2r₀ и толщину 2l₀ диафрагмы). Затем составляют систему уравнений радиационной магнитной газовой динамики, в которой учтены электромагнитная сила, действующая на единичный объем плазмы, омический нагрев и перенос энергии излучением в приближении лучистой теплопроводности. В систему уравнений входят уравнения Максвелла, где с учетом индукционного тока, обусловленного движением плазмы, вместо закона Кулона записан закон Ома. (Решения подобной системы уравнений, лежащей в основе теоретического исследования физики сильноточных электроразрядных источников света, приведены в [9, 10]). Решая систему уравнений магнитной газодинамики для заданного скоростного режима струйного диафрагменного разряда, получают аппроксимирующие выражения с помощью которых через значения величины тока i в отверстии и размеры цилиндрического отверстия (2r₀ и 2l₀) рассчитывают все необходимые параметры плазмы в отверстии диафрагмы (плотность ρ_o, давление Р_o, температуру Т₀, скорость звука А_о) и в набегающем потоке плазмы (концентрацию электронов N_e, давление Ρ, температуру электронов Т_е, скорость звука А).

Такой подход позволяет в широких интервалах изменения параметров уравнения состояния плазмы разряда в отверстии диафрагмы (температуры 20000K<Т<100000K и давления 5 МПа<Р<100 Мпа) с достаточно высокой точностью (порядка 5-10%) проводить термодинамические и газодинамические расчеты при разработке необходимых устройств на основе струйного диафрагменного разряда в вакууме с реализацией заданного режима течения плазмы (скорости набегающего плазменного потока V_∞ и чисел Маха М_∞).

Затем проводят электротехнический расчет параметров импульсного источника питания разряда. Подходы к расчету известны [9]. Для получения импульса тока i разряда заданной длительности t_имп, амплитуды i_o и формы на основе результатов расчета осуществляют выбор межэлектродного промежутка 2L, величины зарядного напряжения U_o конденсаторной батареи емкостью С_o, индуктивности контура L_k, сопротивления контура R_k и сопротивления нагрузки R_нагр.

После этого в вакуумной камере 6 между кольцевыми электродами 2 и 3 через плазмообразующую диафрагму 1 (см. фиг. 3) выбранных габаритов формируют струйный диафрагменный импульсный разряд. Для этого на устройство 9 поджига с помощью стандартной схемы 10 синхронизации подают сигнал запуска, открывающий коммутатор 8 (например, игнитрон) источника 11 электропитания, представляющего собой высоковольтный накопитель энергии емкостью С_о. Затем высокое напряжение подают на электроды 2 и 3 и батарею конденсаторов емкостью С_о разряжают на нагрузке - межэлектродном промежутке (анод 2 - катод 3).

В результате этого получают высокоэнтальпийные плазменные потоки, истекающие из отверстия диафрагмы в стороны кольцевых электродов, сформированные при струйном диафрагменном разряде в вакууме в расчетном режиме течения струй эрозионной плазмы на межэлектродном промежутке длиной 2L. При этом скорость набегающего плазменного потока W_∞ на модельное тело на промежутке диафрагма - кольцевой электрод соответствует требуемой расчетной величине для решения задачи моделирования УСС (см. п. 1 Формулы).

Компонентный состав потока плазмы, заранее определенный, соответствует составу плазмообразующего материала (химическим элементам) внутренней стенки расходного сопла в отверстии диафрагмы, который при конкретной постановке задачи может имитировать состав атмосферы и продукты разрушения материала космического тела.

На завершающей стадии реализации предлагаемого способа проводят визуализацию возмущенной области вблизи модельного тела с регистрацией структуры и спектрального состава излучения УСС вдоль оси набегающего потока струйного диафрагменного разряда на основе известных высокоскоростных методов регистрации быстропротекающих процессов [6, 7] и последующей обработки полученных снимков, фоторазверток и спектров УСС.

Таким образом получают структуру возмущенной области вблизи модельного тела с фотографической регистрацией параметров отхода ударной волны УСС (расстояния Δ отхода или угла θ_с к вектору скорости V_∞) в потоке плазмы для Μ_∞>1, (см. фиг. 2а).

На основе результатов регистрации спектрального состава излучения УСС вдоль оси набегающего потока СДР, (см. фиг. 2б) известными спектральными методами (например, методом относительных интенсивностей спектральных линий и методом по уширению Штарка спектральной линии) определяют значения параметров плазмы набегающего потока и вблизи критической точки УСС: температуру Т_е и концентрацию N_e электронов [8]. После получения по спектрам излучения УСС экспериментальных результатов в виде пространственно-временных распределений температуры Т_е и концентрации N_e электронов проводят дополнительные расчеты термодинамических параметров плазмы, например, на основе модели равновесной плазмы Саха, (методы расчета известны, см, например, [8, 9]): значения плотности ρ_∞, температуры ионов набегающего потока, а также значения давления Р_усс, плотности русс и температуры Т_усс торможения непосредственно за прямым скачком уплотнения (ударной волной) в области УСС.

Полученные результаты определения значений давления Р_усс торможения и температуры Т_усс торможения в критической точке набегающего потока сравнивают с натурными значениями температуры, плотности и давления за прямым скачком уплотнения в стандартной атмосфере в зависимости от высоты и скорости движения КО (см. например, [11, 12]).

Примеры конкретного исполнения.

В качестве первого примера исполнения заявленной группы изобретений приводим описание способа и устройства для получения ударно сжатого слоя углерод-кислород-водородной плазмы и структуры течений около модельного тела, выполненного в форме конуса с углом полураствора при вершине 45°, при скорости набегающего потока V_∞=28 км/с.

Для получения заданной скорости V_∞ согласно соотношениям, приведенным в формуле изобретения, необходимая плотность тока в отверстии диафрагмы равна 350-400 кА/см² (газодинамический режим струйного диафрагменного разряда). При выбранной величине размера диаметра отверстия в диафрагме 2r₀=0,4 см требуемая величина тока разряда составила 45-50 кА.

Для реализации импульса тока критической формы с максимумом тока i=50 кА и длительностью порядка 400 мкс был проведен электротехнический расчет сильноточного разрядного контура генератора импульсных токов и выбрана конденсаторная батарея емкостью С_0расч=2,8 мФ, напряжение заряда U_0расч=5 кВ, плазмообразующий материал со скоростью уноса массы ω≈70 г/с при плотности тока около j_o=i/πr₀≈400 кА/см².

В качестве плазмообразующего материала диафрагмы 1, см. фиг. 3, использовали текстолит марки ПТК со стехиометрическим составом С₃₇Н₄₇О₁₆ и небольшим количеством примесей Mg, Са, N с диаметром цилиндрического отверстия 2r_о равным 4,0 мм и толщиной 2l₀=4,0 мм.

Затем определяли параметры разрядного контура L_k=5,6 мкГ, R_k=10 мОм в режиме короткого замыкания и провели измерение напряжения заряда конденсаторной батареи U_o киловольтметром С196.

На основе аппроксимирующих выражений для выбранных значений величины тока i в отверстии и размеров цилиндрического отверстия (2r₀ и 2l₀) рассчитали все необходимые параметры плазмы в отверстии диафрагмы: плотность ρ_o=6,7·10^-5 г/см³, давление Р₀=22,1 МПа, температура Т₀=49300 K, скорость звука А_o=13,7 км/с. При этом удельная энтальпия на оси в отверстии диафрагмы составила Δh_o≈696 кДж/г, а удельная проводимость на оси в отверстии диафрагмы составила η₀≈301,4 Ом^-1 см^-1.

Диаметр отверстия в кольцевых электродах 2R из графита составил 4,0 см. Расстояние L от диафрагмы 1 до кольцевого анода 2 и кольцевого катода 3 - по 5,0 см, соответственно, и межэлектродный промежуток 2L+2l₀ составил 10,4 см.

Модельное тело из текстолита марки ПТК со стехиометрическим составом С₃₇Н₄₇О₁₆ установили на промежутке диафрагма-кольцевой электрод на расстоянии D₁=2,0 см от диафрагмы. Модельное тело было выполнено в виде конуса с углом полураствора θ=45° и имело поперечный размер Р=0,8 см и длину L_мт=1,0 см.

После проведения электротехнического расчета параметров разрядного контура генератора импульсных токов разряд сформировали в вакуумной камере 6 (см. фиг. 3) объемом 70 л при давление Р_вак=1,0 Па через отверстие в плазмообразующей диафрагме 1 подачей напряжения между кольцевыми электродами 2 и 3 от конденсаторной батареи 11 с емкостью С₀=2,8 мФ и напряжением заряда U₀=5±0,3 кВ, (см. фиг. 3).

При формировании разряда на межэлектродном промежутке провели регистрацию возмущенной области вблизи модельного тела: структуру УСС вдоль оси набегающего потока струйного диафрагменного разряда с использованием высокоскоростной фотографической установки ВФУ-1 в режиме высокоскоростной съемки и режиме фотохронографа, а спектральный состав излучения с использованием спектрографа СП-452 и дифракционного спектрографа ДФС-452 [6, 7].

После формирования разряда на межэлектродном промежутке на запоминающем осциллографе зарегистрировали импульс тока длительностью 395 мкс с амплитудой тока 50±2 кА, получили уточненное значение скорости уноса массы текстолита равное ω=74 г/с для выбранного состава методом взвешивания и по величине разгорания (увеличения диаметра) отверстия диафрагмы. При этом общая масса m унесенных продуктов эрозии из отверстия за время импульса тока t_имп составила m≈15 мг, а унос массы Δm за время газообмена в отверстии диафрагмы t_газ составил Δm=ml₀/V_крt_имп≈11,4 мкг.

Для определения экспериментального значения скорости набегающего потока V_∞ на модельное тело в момент времени, соответствующий, например, максимуму тока разряда, использовали известную зависимость, см. например, [11], для числа Маха M_∞ потока, обтекающего конус от угла наклона θ_с перед вершиной скачка уплотнения (ударной волны), половины угла θ при вершине конуса и постоянной адиабаты γ. Величину угла наклона θ_с=73,4° определили по фотоснимку УСС вблизи конуса, фиг. 2а. Для угла при вершине конуса θ=45° и постоянной адиабаты γ=1,25 экспериментальное значение числа Маха составила М_∞=4,37. Затем определили величину экспериментального значения скорости набегающего потока V_∞=M_∞A_∞=27,9 км/с, где А_∞=0,4 км/с - скорость звука в набегающем потоке плазмы, сравнили с расчетной V_∞=27,8 км/с по зависимости Формулы, п. 1.

На фиг. 2б представлен снимок спектрального состава изучения УСС вдоль оси набегающего потока на поверхность модельного тела в виде конуса с углом полураствора θ=45°, полученного при расчетном режиме течения плазмы катодной струи.

После обработки пространственного распределения спектров излучения в набегающем потоке и в УСС, фиг. 2б, известными методами количественной спектроскопии [8] (методом относительных интенсивностей спектральных линий ионов углерода одинаковой кратности СII 283,76 нм и СII 391,84 нм и по штарковскому уширению линий атома водорода H_β 486,1 нм и иона углерода СII 299,3 нм) были получены значения:

- температуры электронов Т_е∞=17000 K и концентрации электронов Ne_∞=9,0×10¹⁶ см^-3 в набегающем потоке;

- температуры электронов Т_{е усс}=22000 K и концентрации электронов N_{e усс}=2,0×10¹⁸ см^-3 в критической области УСС плазмы.

На основе этих экспериментальных данных по модели равновесной плазмы Саха [8] были рассчитаны значения плотности ρ_∞, давления Р_∞ и скорости звука А_∞ в набегающем потоке плазмы, а также значения требуемых термодинамических величин температуры ионов T_{i усс}, давления Ρ_усс и концентрации ионов N_{i усс} плазмы УСС вблизи критической точки для выбранного модельного тела, см. в таблице.

Приведенный пример моделирования описывает равновесное состояние плазмы в критической области УСС в сверхзвуковом режиме обтекания при М_∞=4,37 при движении тела в атмосфере на высоте около 30 км со скоростью около 28 км/с.

В качестве другого примера исполнения заявленной группы изобретений был получен ударно сжатый слой углерод-водород-кислород-азотной плазмы при использовании в качестве плазмообразующего материала органопластик (C₇₃H₅O₁₂N₁₀) и структура течения около модельного тела затупленной формы с радиусом кривизны R₀=0,4 см и характерной длиной тела L_мт=1,0 см при скорости набегающего потока V_∞=28 км/с и его плотности ρ_∞=1,26×10^-6 г/см^-3 с реализацией расчетных параметров плазмы в УСС (давления торможения Р_усс=13,4×10⁵ Па; температуры Т_усс=23000 K и постоянной адиабаты γ=1,21).

При использовании заявленной группы изобретений были также получены ударно сжатый слой углерод-фторной плазмы, где в качестве плазмообразующего материала - политетрафторэтилен (C₂F₄)_n, и структура течения около модельного тела затупленной формы с радиусом кривизны R₀=0,4 см и характерной длиной тела L_мт=1,0 см при скорости набегающего потока V_∞=53,2 км/с с реализацией параметров плазмы в УСС (давления торможения Р_усс=128,6×10⁵ Па; температуры торможения Т_усс=37000 K, плотности ρ_усс=2,39×10^-4 г/см^-3 и постоянной адиабаты γ=1,23).

Таким образом, полученные результаты позволяют проводить моделирование явлений при сверхзвуковом обтекании тел высокоскоростными потоками плазмы, и могут быть использованы при описании структуры и излучения ударно сжатого слоя, подобного потоку при движении космических аппаратов, планетных зондов, метеоритов и других космических объектов (КО) в атмосфере Земли на высотах 30-200 км и выше, описанных в литературе (см., например, [1, 12]), а также при изучении теплофизических свойств материалов, применяемых в ракетно-космической технике.

Литература

1. Бронштэн В.А. Физика метеорных явлений. - М.: Наука, 1981. 416 с.

2. Калашников Е.В. // ТВТ, 1996. Т. 34, №4. С. 501-505.

3. Калашников Е.В., Костицына Т.Г. // ТВТ, 2000, Т. 38, №2. С. 194-199.

4. Калашников Е.В., Костицына Т.Г. // Опт. и спектр. 1995. Т. 78, №1. С. 60-64.

5. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М, Наука. 1976. 888 с.

6. Дубовик А.С. Фотографическая регистрации быстропротекающих процессов. М., Наука. 1984.

7. Минько Л.Я. Получение и исследование импульсных плазменных потоков. Минск. 1970.

8. Лохте-Хольтгревен. Методы исследования плазмы. М., Мир. 1971. 552 с.

9. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., Наука. 1987. 592 с.

10. Александров А.Ф., Рухадзе А.А. Физика сильноточных электроразрядных источников света. М., МГУ. 1976.

11. Прикладная аэродинамика. Под ред. Н.Ф. Краснова. М., Высшая школа. 1974. 135 с.

12. Неравновесные физико-химические процессы в аэродинамике. / Под общ. ред. Г.И. Майкапара. М., Машиностроение. 1972. 344 с.

Изобретение относится к физике плазмы, преимущественно к физике и технике процессов, сопутствующих сверхзвуковому обтеканию тел высокоскоростными потоками плазмы, и может быть использовано, в частности, при моделировании структуры и излучения ударно сжатого слоя потока при движении космических аппаратов, планетных зондов, метеоритов и других космических объектов (КО) в атмосфере Земли на высотах 30-200 км и выше. Технический результат - возможность получать ударно сжатый слой плазмы и структуру течений около модельного тела заданной формы* высокоскоростных, до 50 км/с и выше, потоков практически любого химического и ионизационного состава. В способе получения ударно сжатого слоя плазмы путем взаимодействия высокоэнтальпийной струи с расположенным соосно со струей модельным телом с последующей регистрацией структуры возмущенной области вблизи модельного тела, новым является то, что высокоэнтальпийную струю формируют при струйном диафрагменном разряде в вакууме в режиме течения струй эрозионной плазмы на межэлектродном промежутке при условиях размещения модельного тела с характерным размером Р, найденным из соотношения Р≤0,5 R, где R - радиус отверстия в кольцевом электроде, см; на промежутке плазмообразующая диафрагма - кольцевой электрод (катод и/или анод), при скорости V_∞ набегающего плазменного потока на модельное тело на промежутке диафрагма - кольцевой электрод, и при компонентном составе потока плазмы, соответствующем выбранному составу плазмообразующего материала внутренней стенки расходного сопла в отверстии диафрагмы: химических элементов и стехиометрических коэффициентов исходной формулы вещества, а структуру возмущенной области УСС регистрируют оптическими методами по величине отхода ударной волны УСС и спектральными методами по свечению УСС. Раскрыто также устройство для реализации способа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ получения ударно сжатого слоя плазмы путем взаимодействия высокоэнтальпийной струи с расположенным соосно со струей модельным телом с последующей регистрацией структуры возмущенной области вблизи модельного тела, отличающийся тем, что высокоэнтальпийную струю формируют при струйном диафрагменном разряде в вакууме в режиме течения струй эрозионной плазмы на межэлектродном промежутке при условиях размещения модельного тела с характерным размером P, найденным из соотношения
P≤0,5R,
где R - радиус отверстия в кольцевом электроде, см;
на промежутке плазмообразующая диафрагма - кольцевой электрод (катод и/или анод), при скорости V_∞ набегающего плазменного потока на модельное тело на промежутке диафрагма - кольцевой электрод, найденной из соотношения
где
V_кр=724 i^0,22/(0,9r₀)^0,33 - скорость потока в критическом сечении, м/с;
- проталкивающее давление в центре отверстия диафрагмы, Па;
P_вак - давление в вакуумной камере, Па;
γ=c_p/c_v=1,2-1,3 - постоянная адиабаты с учетом энергии ионизации плазмы;
ω - средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, кг/с;
µµ_o=1,257 10^-6 Гн/м;
i - ток разряда, А;
r₀ - радиус отверстия в диафрагме, см;
2l₀ - толщина диафрагмы, см;
R - радиус отверстия в кольцевом электроде, см;
при скорости ω уноса массы Δm плазмообразующего вещества струи выбрана из соотношения
ω=Δm/t_газ, кг/с, где
Δm=ml₀/V_крt_имп - унос массы за время газообмена в отверстии диафрагмы, кг;
m - общая масса унесенных продуктов эрозии материала из отверстия в диафрагме, кг;
2l₀ - толщина диафрагмы, м;
t_имп - длительность импульса разряда, с;
V_кр - скорость потока в критическом сечении расходного сопла, м/с;
t_газ=l₀/V_кр - время газообмена в отверстии диафрагмы, с;
и при компонентном составе потока плазмы, соответствующем выбранному составу плазмообразующего материала внутренней стенки расходного сопла в отверстии диафрагмы: химических элементов и стехиометрических коэффициентов исходной формулы вещества, а структуру возмущенной области УСС регистрируют оптическими методами по величине отхода ударной волны УСС и спектральными методами по свечению УСС;

2. Устройство для получения ударно сжатого слоя плазмы, включающее герметичную разрядную камеру с источником электропитания, газовакуумной системой, установленными на оси камеры соплом и расположенным за соплом модельным телом, отличающееся тем, что в него дополнительно введена установленная между внесенными в камеру и выполненными кольцевыми электродами диафрагма, изготовленная с двумя соосными расходными соплами, и по крайней мере одно модельное тело с характерным линейным размером P, найденным из соотношения
P≤0,5R,
где R - радиус отверстия в кольцевом электроде, см;
размещено на промежутке диафрагма - кольцевой электрод (катод и/или анод) на расстоянии D₁ от диафрагмы, найденном из соотношения
D₁≥10r₀, где
r₀ - радиус отверстия в диафрагме, см;
в качестве источника питания выбран генератор импульсных токов струйного диафрагменного разряда с величиной тока разряда i (t), обеспечивающей скорость потока V_кр в критическом сечении расходного сопла, выбранную из соотношения
V_кр=724 i^0,22/(0,9r₀)^0,33 м/с, где
i - ток разряда, А;
r₀ - радиус отверстия диафрагмы, см;
давление P_кр в критическом сечении сопла, выбранное из соотношения
где
i - ток разряда, А;
r₀-радиус отверстия диафрагмы, см;
2l₀ - толщина диафрагмы, см;
при этом диафрагма выполнена из плазмообразующего материала заданного состава и удовлетворяет следующим условиям: отношение размеров отверстия 2r₀ и толщины 2l₀ диафрагмы выбрано из соотношения
2r₀/2l₀=1,0-2,0.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в камере установлены два модельных тела в катодной и анодной части, соответственно, при этом отношение размеров отверстия 2r₀ и толщины 2l₀ диафрагмы выбрано равным 1,0, а величина тока разряда i(t) генератора импульсных токов удовлетворяет условию
i≤1,4·10⁶r₀ ², А, где
r₀ - радиус отверстия диафрагмы, см.