22.10.2019
ФизТех

Ученые смоделировали высоковольтный разряд перед сверхзвуковым самолетом

Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Принстонского университета смоделировали взаимодействие высоковольтного стримерного разряда с ударной волной. Полученные данные помогут более точно моделировать условия вокруг сверхзвуковых самолетов и космических кораблей.

Сверхзвуковой самолет
Сверхзвуковой самолет / ©pixy.org

Такая волна образуется при разгоне летательного аппарата до скорости выше звуковой. Оказалось, когда разница плотностей газа по разные стороны волны превышает 20%, разряд не может ее преодолеть и начинает распространяться вдоль самой волны. Полученные данные помогут более точно моделировать условия вокруг сверхзвуковых самолетов и космических кораблей. Результаты работы опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Стримерные разряды в неоднородных газовых средах можно наблюдать в естественных условиях. В атмосфере Земли возникают разряды, которые распространяются от поверхности земли к ионосфере и в обратном направлении. Плотность воздуха на пути распространения таких разрядов изменяется в десятки и сотни раз. Благодаря этому в верхних слоях атмосферы рождаются возбужденные плазменные области в форме колец (эльфы) и струй (джеты и спрайты) (рисунок 1).

Рисунок 1. Явления, порождаемые разрядами в атмосфере / ©Википедия

На относительно небольших высотах (до 10 километров) разряды в атмосфере Земли распространяются в виде стримерно-лидерных структур, которые приводят к возникновению хорошо известного молниевого разряда. Такие разряды могут вывести из строя электронику самолета или космического корабля. 90% ударов молний в эти объекты происходит из-за электрических пробоев, которые инициирует сам летательный аппарат.

Импульсные высоковольтные разряды часто используют в аэродинамике для управления воздушным потоком. При помощи быстрого нагрева небольшого объема газа можно управлять турбулизацией потока, отрывными и нестационарными течениями, а также конфигурацией ударных волн перед объектами, движущимися в атмосфере со сверхзвуковой скоростью. Неравновесное возбуждение газа импульсными разрядами позволяет эффективно управлять горением топливных смесей, которые могут включать газовые струи, аэрозоли или капли. Поэтому изучение взаимодействия разрядов с ударными волнами и другими неоднородностями газа имеет большое практическое значение.

В своей работе ученые рассмотрели случай, когда стримерный разряд пересекает ударную волну. Исследователи изучали взаимодействие плазмы с ударной волной как экспериментально (рисунок 2), так и с помощью численного моделирования одиночного пробоя. Он распространялся в 15-сантиметровом воздушном промежутке. Плотность модельного газа изменялась ступенчато от положительного электрода до отрицательного.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки по исследованию распространения импульсных разрядов в среде с разрывами плотности. Установка состоит из ударной трубы — генератора ударных волн, синхронизированного с ней высоковольтного генератора, создающего наносекундные импульсы амплитудой до 250 кВ и максимальным током до 5 кА, и системы диагностики / ©Рисунок предоставлен авторами исследования / Пресс-служба МФТИ

Отрицательным электродом была плоская пластина, а положительным — пластина с иглой в центре, на кончике которой инициировался разряд. Ученые поднимали напряжение на зазоре за 1 наносекунду до 100 кВ, а затем оставляли постоянным на этом уровне. Распространение волны ионизации газа в самосогласованном электрическом поле происходило за счет лавинной ионизации газа на фронте волны и фотоионизации перед ней. Ученые наблюдали за поведением такой волны ионизации при пересечении границ областей газа разной плотности.

Николай Александров, профессор МФТИ, главный научный сотрудник лаборатории импульсных плазменных систем МФТИ, комментирует: «Сделанное нами моделирование стримерного разряда в сильно неоднородном газе показало, что его характеристики резко меняются при достижении границы между участками с различной плотностью. В случае распространения 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. Если разница параметров небольшая, разряд свободно проходит в газ с более высокой плотностью. Когда ее увеличение превышает 20%, движение разряда в первоначальном направлении блокируется. В результате он начинает развиваться в виде плазменного “блина”, “растекающегося” вдоль границы раздела областей газа».

Ученые также рассмотрели случай, когда волна ионизации проходит через неоднородности, в которых плотность газа меняется плавно. Результаты расчетов показывают, что наличие переходной части, длина которой значительно превышает диаметр стримерного разряда, позволяет ему плавно изменять форму и продолжать движение без резких изменений скорости и диаметра канала. Уменьшение длины градиента плотности до характерного диаметра плазменного канала приводит к значительным изменениям параметров разряда. Когда же толщина переходной области заметно меньше диаметра стримера, градиент плотности газа оказывает почти такое же влияние на распространение тока, как и разрыв бесконечно малой толщины.

Исследователи нашли условия, когда газообразная среда на короткое время перестает проводить ток в выделенном направлении. Разрыв в плотности среды «от разреженного газа к плотному» формирует своего рода «газодинамический диод» — удивительное физическое явление, когда газовый разряд может развиваться в одном направлении и не может в обратном.

«Газодинамический диод» останавливает развитие разряда в направлении электрического поля и перенаправляет плазменный канал вдоль границы раздела областей разной плотности, блокируя замыкание разрядного промежутка. В обратном направлении плазменный канал развивается лишь с незначительными изменениями скорости его распространения, в результате чего происходит перекрытие промежутка между электродами, приводящее к формированию проводящего канала между электродами.

Полученные результаты позволят лучше моделировать процессы управления газовыми потоками вокруг сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
15 октября
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

Позавчера, 10:39
Александр Березин

Когда полвека назад гибель динозавров объяснили падением астероида, это вызвало массовое неприятие, длившееся десятилетия. Открытие кометы, взрыв которой принес тысячелетнее похолодание в начале голоцена, привело к спорам в научной среде, которые идут до сих пор. Теперь множеству атак подверглось и открытие астероида, уничтожившего Содом. Отчего многим исследователям так трудно поверить в астероидные взрывы и о каких узких местах в современной науке это может говорить?

4 часа назад
Илья Ведмеденко

Китайцы провели тесты гиперзвукового комплекса, который облетел земной шар. По информации СМИ, испытания стали неожиданностью для американской разведки.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

15 октября
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

22 сентября
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: