Способ получения самоорганизуемой плазмы низкого давления Российский патент 2024 года по МПК H05H1/00 

Способ относится к области экспериментальной аэротермодинамики, в частности к лабораторным испытательным стендам по исследованию параметров тлеющего разряда для сравнения их с численным моделированием.

Физическое и математическое моделирование газоразрядной плазмы используют для изменения аэротермодинамики в локальных областях летательных аппаратов [1]. В отличие от энергозатратных способов в [1], а также кратковременности воздействия в течение наносекунд, тлеющий разряд существует при питании более чем в тысячу раз меньшем и длительностью более чем в тысячу раз большей [2,3]. При этом давление в экспериментальном блоке устанавливается в соответствии с реальной высотой полета. При быстропротекающих аэротермодинамических процессах сравнение результатов математического моделирования проводят на квазистационарных участках графиков, так называемых, «полочках» [4]. Это участки графиков за падающей и отраженной ударных волн, квазистационарные участки графиков давления на моделях за соплом. В экспериментах с нормальным тлеющим разрядом между двумя встречными электродами квазистационарный фрагмент наблюдается у графика напряжения в разрядном промежутке, которое занимает свое минимально возможное, постоянное значение [3]. Покажем возникновения таких двух фрагментов: в стационарных условиях и в потоке при скоростях до 1000 м/с.

Известен [5] «Способ идентификации и валидации математической модели динамики полета и системы управления беспилотных воздушных судов вертикального взлета и посадки (БВС ВВП) с использованием роботизированного стенда полунатурного моделирования». В нем выполняют полунатурное тестирование всей системы автоматического управления БВС ВВП путем формирования с помощью шестистепенного роботизированного манипулятора линейных и угловых перемещений БВС. При этом имитируется реальная динамика полета БВС на режимах висения, вертикального взлета и посадки. Функционирование бортовой САУ происходит на основании информации от штатной системы измерения фактических угловых и линейных перемещений БВС, а команды, формируемые САУ, и информация о соответствующих перемещениях приводов передаются на моделирующий стенд, обеспечивающий расчет динамики и кинематики перемещений БВС. Обеспечивается достоверность результатов исследований и отладки новых решений в части алгоритмов и аппаратной реализации системы управления БВС ВВП.

Данный способ оперирует с объектами большой инерционности и не обеспечивает условия для валидации быстропротекающих, миллисекундных, процессов. Кроме того, способ не обеспечивает «слепую» валидацию, когда рассчитанный по новым разработанным кодам физический процесс сравнивается с реально полученными данными, например, напряжением и током разрядного промежутка.

«Способ для визуализации и валидации событий процесса и система для осуществления способа» [6] содержит следующие признаки: стационарно установленная система датчиков сообщает состояния в систему контроля процесса; при превышении заданных предельных значений система контроля процесса запускает, планирует и выполняет локальный сбор данных с помощью мобильного датчика; результат этого сбора данных анализируется в системе контроля процесса, визуализируется и интегрируется в информацию состояния о процессе или оборудовании.

Данное изобретение направлено на автоматизацию проверок и анализа, а также оцифровку наблюдений с целью обнаружения изменений, но не обеспечивает квазистационарный режим, например, существования плазмы, для валидационных целей математического моделирования.

В патенте [7] «Холодный катод газоразрядного прибора с тлеющим разрядом» выполнен из алюминия в форме цилиндрического стакана с расширенным диаметром открытого торца, который выполнен в закругленной форме в сечении, а толщину стенки цилиндра выполняют плавно уменьшающейся по толщине от открытого торца к дну, внутреннюю поверхность цилиндра выполняют шероховатой, а внешнюю поверхность выполняют полированной, при этом катод дополнительно содержит установочный держатель, выполненный из материала с малой теплопроводностью и прикрепленный к внешней стороне дна цилиндра, а также дополнительно материал цилиндра легируют магнием концентрацией в пределах 0,5÷5%, при этом определена площадь внешней поверхности цилиндра.

Данное изобретение не обеспечивает квазистационарный режим, например, существования плазмы, для валидационных целей математического моделирования.

Наиболее близким является [8] «Способ нагрева катода и зажигания дугового разряда с металлической проволочкой между электродами», который заключается в том, что между анодом и катодом при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, при этом расстояние между электродами выбирается таким, при котором разряд без проволочки самопроизвольно не возникает, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. Технический результат - нагрев катода и зажигание несамостоятельного дугового разряда при испарении проволочки.

Недостатком вышеуказанного способа является то, что он направлен на зажигание несамостоятельного дугового разряда и не обеспечивает квазистационарный режим существования нормального тлеющего разряда для валидационных целей математического моделирования.

Задачей настоящего изобретения является получение самоорганизующейся плазмы как в стационарных условиях, так и в потоках, с квазистационарными параметрами для валидации.

Для реализации заявленного способа получения самоорганизуемой плазмы низкого давления в испытательной камере между встречно направленными электродами устанавливают давление в испытательной камере и постоянное высоковольтное напряжение питания на электродах, измеряют напряжение и ток в разрядном промежутке с балластного сопротивления и шунтирующего сопротивления соответственно, визуализацию горения плазмы регистрируют фотоэлектронным умножителем, причем давление в испытательной камере устанавливают в пределах 3-6 Торр, напряжение питания на электродах в пределах 400-2500 В, при этом регистрируют момент наличия сигнала фотоэлектронным умножителем, после чего ток питания плавно уменьшают до возникновения однородного постоянного сигнала напряжения в разрядном промежутке.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

На фиг. 1 показаны примеры квазистационарных участков графиков для валидационных целей.

На фиг. 2 приведены фото нормального тлеющего разряда: а) в стационарных условиях, б) в потоке.

На фиг. 3 изображены графики фотоэлектронного умножителя, напряжения и тока в разрядном промежутке. V, I - напряжение и ток в разрядном промежутке; Uфэу - сигнал фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

На фиг. 4. приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ). V, I - напряжение и ток разрядного промежутка (ряд 1); Uпит, Iпит - напряжение и ток питания.

Квазистационарные участки примеров графиков фиг. 1, которые используются для валидационных целей: 1 - до входа в сопло, 2, 3, 4 - за соплом на моделях.

Пример конкретного выполнения

В испытательной камере устанавливают давление от 3 Торр, к встречно направленным электродам прикладывают постоянное высоковольтное напряжения питания от 2,5 кВ, регистрируют наличие свечения плазмы визуально или регистрацией сигнала фотоэлектронного умножителя, регистрируют напряжение и ток в разрядном промежутке, затем снижают ток питания до момента, когда напряжение в разрядном промежутке перестает меняться.

Остальные результаты испытаний представлены на графических материалах.

На фото нормального тлеющего разряда фиг. 2 а) приведена электрическая схема нормального тлеющего разряда, где R_o - балластное сопротивление; R₁ - шунтирующее сопротивление: I, V - ток и напряжение в разрядном промежутке соответственно.

Начало графиков фиг. 3 а) соответствует горению нормального тлеющего разряда без потока. Затем при начале истечения из сопла б) газового потока возникает возмущение, ток I в разрядном промежутке снижается, одновременно снижается, а затем занимает постоянное значение напряжение V в разрядном промежутке. Затем самоустанавливается нормальный тлеющий разряд (квазистационарный фрагмент графика V) в течение 12-16 мс. Таким образом, газоразрядная плазма вторично самоустановилась. Фрагмент 12-16 мс пригоден для валидационных целей. Фрагмент б) соответствует отсутствию разряда.

Таким образом, на графике 3 а) показаны экспериментальные данные зажженного разряда, напряжения питания 2 кВ, ток 4 мА, что соответствует фиг. 4 (ВАХ ряд 2), и ФЭУ (фиг. 3 а). Пока горел НТР, включили сопло (фиг. 3 б), и на разряде возникли возмущения: ток разрядного промежутка снижался, напряжение тоже за током, но потом (НТР - это саморегулируемая плазма) занял минимальное значение и остался полочкой 12-16 мс - для валидации.

Экспериментально полученные в аэродинамическом блоке ВАХ нормального тлеющего разряда, показанные на фиг. 4, демонстрируют, что при изменении высоковольтного напряжения питания (ряд 2) от 400 В до 2500 В изменяются параметры тока и напряжения в разрядном промежутке (ряд 1). При снижении тока (ряд 1) напряжение (ряд 1) практически не меняется. Это соответствует определению нормального тлеющего разряда (НТР) и «полочки» для валидации (график V фиг. 3) напряжения в разрядном промежутке.

Экспериментально выявлено, что при давлении 3-6 Торр нормальный тлеющий разряд устойчиво горит в течение 12-16 мс при скорости потока 1000 м/с, питающем напряжении 2-2,5 кВ, токе 3-6 мА.

Список использованных источников:

1. Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Управление газодинамическими потоками с помощью сверхбыстрого локального нагревав сильнонеравновесной импульсной плазме // https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2006/2006.11681.pdf.

2. Суржиков С.Т. Численное моделирование осесимметричного аномального тлеющего разряда между двумя плоскими дискообразными электродами // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-4/articles/1012/.

3. Солодовников С.И., Рулева Л.Б. Экспериментальные исследования газоразрядной плазмы в потоке // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т.24, вып. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-6/articles/1079/.

4. Ruleva L.B., Solodovnikov S.I. Experimental studies of wedge models // IOP Publishing ([Bristol, UK], England), том 1959. DOI:10.1088/1742-6596/1959/1/012040.

5. Патент РФ №2774479.

6. Патент РФ №2746442.

7. Патент РФ №2786417.

8. Патент РФ №2388192.

Способ относится к области экспериментальной аэротермодинамики, в частности к лабораторным испытательным стендам по исследованию параметров тлеющего разряда для сравнения их с численным моделированием. В способе получения самоорганизуемой плазмы низкого давления в испытательной камере между встречно направленными электродами устанавливают давление в испытательной камере и постоянное высоковольтное напряжение питания на электродах. Далее измеряют напряжение и ток в разрядном промежутке с балластного сопротивления и шунтирующего сопротивления соответственно, а также регистрируют фотоэлектронным умножителем визуализацию горения плазмы. Причем давление в испытательной камере устанавливают в пределах 3-6 Торр, напряжение питания на электродах в пределах 400-2500 В, при этом регистрируют момент наличия сигнала фотоэлектронным умножителем, после чего ток питания плавно уменьшают до возникновения однородного постоянного сигнала напряжения в разрядном промежутке. Техническим результатом является возможность получения самоорганизующейся плазмы как в стационарных условиях, так и в потоках с квазистационарными параметрами. 4 ил.

Способ получения самоорганизуемой плазмы низкого давления в испытательной камере между встречно направленными электродами, заключающийся в установлении давления в испытательной камере и постоянного высоковольтного напряжения питания на электродах и измерении напряжения и тока в разрядном промежутке с балластного сопротивления и шунтирующего сопротивления соответственно, а визуализацию горения плазмы регистрируют фотоэлектронным умножителем, отличающийся тем, что давление в испытательной камере устанавливают в пределах 3-6 Торр, напряжение питания на электродах в пределах 400-2500 В, при этом регистрируют момент наличия сигнала фотоэлектронным умножителем, после чего ток питания плавно уменьшают до возникновения однородного постоянного сигнала напряжения в разрядном промежутке.