Сотрудники МФТИ и Принстонского университета провели моделирование взаимодействия высоковольтного стримерного разряда и ударной волны. Результаты исследования позволят точнее воспроизводить условия, возникающие вокруг сверхзвуковых летательных аппаратов и космических кораблей.
Волна ударного типа возникает при достижении летательным аппаратом скорости, превышающей скорость звука. Исследования показали, что если разница в плотностях газа по обе стороны от волны превышает 20%, электрический пробой не способен ее преодолеть и распространяется вдоль самой волны. Эти сведения позволят точнее воспроизводить условия, возникающие вокруг сверхзвуковых самолетов и космических аппаратов. Результаты работы опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.
Стримерные разряды могут формироваться в неоднородных газовых средах и наблюдаются в природных условиях. В атмосфере Земли возникают разряды, распространяющиеся от земной поверхности к ионосфере и обратно. Плотность воздуха вдоль траектории этих разрядов может варьироваться в десятки и сотни раз. Это приводит к образованию возбужденных плазменных структур в виде колец (эльфы) и струй (джеты и спрайты) (рисунок 1).
На небольших высотах (до 10 километров) электрические разряды в атмосфере Земли формируются в виде стримерно-лидерных структур, что приводит к возникновению молниевого разряда, широко известного благодаря его характерным проявлениям. Эти разряды способны повредить электронное оборудование самолетов и космических кораблей. В 90% случаев попадания молний в эти объекты причиной является электрический пробой, который инициируется самим летательным аппаратом.
Импульсные высоковольтные разряды находят применение в аэродинамике для контроля воздушного потока. Быстрый нагрев небольшого объема газа позволяет воздействовать на турбулентность, отрывные и нестационарные течения, а также на структуру ударных волн, формирующихся перед объектами, движущимися в атмосфере на сверхзвуковых скоростях. Неравновесное возбуждение газа с помощью импульсных разрядов обеспечивает эффективное управление горением топливных смесей, в состав которых могут входить газовые струи, аэрозоли или капли. Поэтому исследование взаимодействия разрядов с ударными волнами и другими неоднородностями газа представляет собой задачу, имеющую большое практическое значение.
В ходе исследования ученые проанализировали ситуацию, когда стримерный разряд взаимодействует с ударной волной. Взаимодействие плазмы и ударной волны было изучено как посредством эксперимента (рисунок 2), так и с использованием численного моделирования одиночного пробоя. Пробой возникал в воздушном промежутке длиной 15 сантиметров. Плотность модельного газа изменялась ступенчато в направлении от положительного электрода к отрицательному.
Плоская пластина выполняла роль отрицательного электрода, а пластина с иглой в центре – положительного. Напряжение на зазоре увеличивалось до 100 кВ всего за 1 наносекунду, после чего поддерживалось на этом уровне. Распространение волны ионизации газа в самосогласованном электрическом поле обеспечивалось лавинной ионизацией на фронте волны и фотоионизацией, происходящей перед ней. Поведение волны ионизации при пересечении границ областей газа различной плотности было зафиксировано учеными.
Николай Александров, профессор МФТИ и главный научный сотрудник лаборатории импульсных плазменных систем МФТИ, поясняет: «Наше моделирование стримерного разряда в газе с высокой неоднородностью выявило, что его параметры значительно изменяются вблизи границы между областями с разной плотностью. При распространении плазмы из зоны с высокой плотностью газа в область с меньшей плотностью, расширяется диаметр канала, а электрическое поле в головной части разряда ослабевает.
При движении в противоположном направлении разряд демонстрирует иные характеристики. Если разница в параметрах незначительна, разряд беспрепятственно переходит в газ с большей плотностью. Однако, при превышении этой разницы более чем на 20%, дальнейшее движение разряда в исходном направлении становится невозможным. В результате, разряд начинает распространяться в форме плазменной структуры, напоминающей «блин», которая «растекается» вдоль границы раздела газовых областей».
В ходе исследования ученые проанализировали ситуацию, когда волна ионизации проходит через области с постепенным изменением плотности газа. Полученные расчетные данные свидетельствуют о том, что наличие переходной зоны, длина которой существенно больше диаметра стримерного разряда, обеспечивает плавное изменение формы и продолжение движения разряда без резких скачков скорости и диаметра канала. Сокращение длины градиента плотности до величины, сопоставимой с характерным диаметром плазменного канала, приводит к существенным изменениям параметров разряда. При уменьшении толщины переходной области до значений, значительно меньших диаметра стримера, градиент плотности газа начинает оказывать на распространение тока влияние, сопоставимое с воздействием разрыва бесконечно малой толщины.
Ученые определили условия, при которых газообразная среда временно теряет способность проводить электрический ток в определенном направлении. Переход от разреженного газа к более плотному создает своего рода «газодинамический диод» — необычное физическое явление, при котором газовый разряд может протекать только в одном направлении, а в обратном — нет.
«Газодинамический диод» препятствует распространению разряда против направления электрического поля и направляет плазменный канал вдоль границы раздела областей с различной плотностью, тем самым предотвращая замыкание разрядного промежутка. В противоположном направлении плазменный канал формируется с небольшим изменением скорости распространения, что приводит к перекрытию промежутка между электродами и формированию проводящего канала.
Анализ полученных данных даст возможность более точно прогнозировать поведение газовых потоков вблизи аппаратов, движущихся со сверхзвуковой и гиперзвуковой скоростью.