Ученые Московского физико-технического института совместно с сотрудниками Принстонского университета провели моделирование взаимодействия высоковольтного стримерного разряда с ударной волной. Данные исследования позволят более точно моделировать условия вблизи сверхзвуковых самолетов и космических кораблей.
Образование такой волны происходит при увеличении скорости летательного аппарата выше звуковой. Выяснилось, что при разнице плотностей газа по разные стороны волны свыше 20% разряд не может её преодолеть и начинает распространяться вдоль самой волны. Полученные данные позволят более точно моделировать условия вокруг сверхзвуковых самолетов и космических кораблей. Результаты работы. опубликованыЖурнал «Источники плазмы. Научные исследования и технологии».
В естественных условиях стримерные разряды можно наблюдать в неоднородных газовых средах. В атмосфере Земли возникают разряды, распространяющиеся от поверхности земли к ионосфере и обратно. Изменение плотности воздуха на пути таких разрядов в десятки и сотни раз приводит к образованию возбужденных плазменных областей в верхних слоях атмосферы в форме колец (эльфы) и струй (джеты и спрайты).
В атмосфере Земли на высотах до десяти километров разряды проявляются как стримерно-лидерные структуры, вызывающие молнии. Такие разряды способны повредить электронику самолета или космического корабля. Девяносто процентов ударов молний в эти объекты происходят из-за электрических пробоев, которые инициирует летательный аппарат.
В аэродинамике импульсные высоковольтные разряды применяют для управления воздушным потоком. Быстрый нагрев малого объема газа позволяет управлять турбулизацией, отрывными и нестационарными течениями, а также конфигурацией ударных волн перед объектами, движущимися в атмосфере со сверхзвуковой скоростью. Неравновесное возбуждение газа импульсными разрядами эффективно управляет горением топливных смесей, которые могут включать газовые струи, аэрозоли или капли. Изучение взаимодействия разрядов с ударными волнами и другими неоднородностями газа имеет большое практическое значение.
Учёные исследовали взаимодействие стримерного разряда с ударной волной, проведя как эксперименты (рисунок 2), так и численное моделирование одиночного пробоя в 15-сантиметровом воздушном промежутке. Плотность модельного газа менялась ступенчато от положительного электрода до отрицательного.
Плоская пластина служила отрицательным электродом, а положительным — пластина с иглой в центре, на кончике которой начинался разряд. Ученые повышали напряжение за 1 наносекунду до 100 кВ, после чего его поддерживали на этом уровне. Волну ионизации газа самосогласованное электрическое поле распространялось благодаря лавинной ионизации газа в передней части волны и фотоионизации перед ней. Ученые наблюдали за поведением такой волны ионизации при пересечении границ областей газа разной плотности.
Профессор МФТИ Николай Александров, главный научный сотрудник лаборатории импульсных плазменных систем МФТИ, комментирует: проведенное моделирование стримерного разряда в сильно неоднородном газе показало резкое изменение его характеристик при достижении границы между участками с различной плотностью. При распространении плазмы из области с высокой плотностью газа в разреженную область диаметр канала увеличивается, а электрическое поле в головке разряда уменьшается.
При движении в противоположном направлении разряд ведет себя иначе. При небольшой разнице параметров разряд свободно проходит в газ с более высокой плотностью. Если увеличение превышает 20%, движение разряда в первоначальном направлении блокируется, и он начинает развиваться в виде плазменного “блина”, распространяющегося вдоль границы разделения областей газа.
Исследователи изучили ситуацию, когда волна ионизации проходит через неоднородности с плавно меняющейся плотностью газа. Расчёты показали, что наличие переходной части, длина которой намного превосходит диаметр стримерного разряда, позволяет ему менять форму плавно и продолжать движение без резких изменений скорости и диаметра канала. Уменьшение длины градиента плотности до размера плазменного канала приводит к заметным изменениям параметров разряда. Если же толщина переходной области значительно меньше диаметра стримера, градиент плотности газа оказывает на распространение тока влияние, сравнимое с воздействием разрыва бесконечно малой толщины.
Учёные обнаружили условия, при которых газ на короткий промежуток времени прекращает проводимость электрического тока в определённом направлении. Разница в плотности среды — от разрежённого газа к плотному — создаёт «газодинамический диод» — необычное явление, при котором разряд газа может протекать в одном направлении и невозможен в обратном.
Газодинамический диод прерывает разряд по направлению электрического поля и уводит плазменный канал вдоль границы раздела областей с различной плотностью, предотвращая замыкание разрядного промежутка. В обратном направлении плазменный канал расширяется незначительно, перекрывая расстояние между электродами и создавая проводящий канал.
Результаты исследования помогут совершенствовать моделирование процессов управления газов, протекающих около сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов.
