|
Ионно-звуковая
модель ионизационной Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия |
|
Ионизационная неустойчивость сильных ионизующих ударных волн до настоящего времени являлась одной из неразрешённых проблем газодинамики. Многие исследователи за последние 40 лет регистрировали при движении высокоскоростных тел и сильных ударных волн (УВ) целый ряд плазменных эффектов, которые не удалось объяснить. Возникали колебания интенсивности излучения, турбулизация потока, наблюдались дополнительное ускорение УВ, удвоение и даже утроение фронта волны, немонотонное распределение плотности заряженных и нейтральных частиц. Характерной чертой эффектов являлась их периодичность и ограниченный скоростной диапазон. При некоторых числах Маха происходило полное разрушение ударного фронта волны [1]. Аналогичные эффекты существуют в искусственно созданной плазме при значительно меньших скоростях тел в практически важном диапазоне 700 ¸ 3500 м/с. На основе наших экспериментов в 1986 году зарегистрировано открытие “Эффект аномального обтекания тел плазмой“, которое привлекло внимание к исследованию плазменных эффектов в аэродинамике. При сверхзвуковом движении тел в газоразрядной плазме также наблюдаются сильные нетермические эффекты – модуляция излучения, значительное увеличение отхода головной УВ, её ослабление и ряд других эффектов [2,3]. Эти эффекты могут быть использованы в прикладной газовой динамике при разработке плазменных технологий для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов нового поколения. Все перечисленные явления, наблюдаемые при распространении ионизующих УВ и движении их в предварительно ионизованной среде, имеют общую природу и не могут получить объяснение в рамках динамики нейтральных газов. Ключ к их пониманию лежит в области нелинейной плазмодинамики. Аномалии при движении тел и ударных волн в плазме в некоторых условиях (резонансных диапазонах) возникают вследствие формирования вблизи фронта УВ или в релаксационной зоне ионно-звукового солитонного "сгустка" [3, 4], в котором резко возрастает коэффициент ионизации (эффект лошади Хьюстона в плазме). В результате в области такого уплотнения возникает сильное взаимодействие заряженной и нейтральной компонент, приводящее к возникновению сложной плазменной структуры. Эволюция этого образования и определяет всю динамику течения ионизированного газа в области фронта волны. Поэтому наблюдаемые эффекты невозможно объяснить с точки зрения классических представлений о течении плазмы как нагретого проводящего нейтрального газа. Диапазон скоростей, в котором может существовать ионно-звуковой сгусток, достаточно узкий, он определятся "конкуренцией" нелинейности, дисперсии, диссипации, разогревом электронов и ионизацией атомов и молекул. Дополнительные солитоны образуются на возмущениях функции распределения электронов по энергии. Условием существования солитонов и появления аномалий при движении тел и ударных волн в плазме является выполнение неравенства 1< Mi £ 1.6, где Mi - ионное число Маха. Если известна структура термов, то уравнения реакций ионизации в плазме, образованной ударной волной, позволяют определить энергии дополнительных групп электронов, возмущающих функцию распределения электронов по энергии. Это даёт возможность определить скоростные диапазоны неустойчивости или аномального обтекания тел и предсказать характерные значения скоростей (конец диапазона), при которых можно ожидать резкого изменения структуры УВ или сильную неустойчивость течения в релаксационной зоне. В работе представлены основные скоростные диапазоны (окна неустойчивости), в которых существуют ионно-звуковые сгустки при движении УВ в углекислом газе и ксеноне. Учитывались реакции диссоциации, парные столкновения возбуждённых молекул и атомов, ионный состав, разогрев электронов. Эти диапазоны в углекислом газе составляют следующие величины: 1,6-2,6; 2-3,2; 2,7-4,3; 3,4- 5,5; 4,4-7,1; 5,8-9,3 (км/с). Наблюдается хорошее соответствие известных результатов экспериментов и расчёта как для углекислого газа, так и для ксенона. Представлены результаты проведённых баллистических исследований обтекания сверхзвуковых тел газоразрядной плазмой ксенона. Обнаружено аномальное обтекание сферического тела со значительным увеличением отхода головной ударной волны. Граница аномального обтекания совпадает с максимальной фазовой скоростью ионно- звукового солитонного сгустка. Таким образом, поведение УВ и обтекание сверхзвуковых тел в плазме имеет резонансный характер и может определяться ионным составом плазмы и видом функции распределения электронов по энергиям. Рассматриваемые эффекты могут иметь существенное значение для понимания плазменных процессов, сопровождающих спуск космического аппарата в атмосфере. Образующиеся в набегающем потоке высокоионизованные солитонные сгустки, в которых среда разогревается до температуры в десятки тысяч градусов, могут представлять серьёзную опасность для элементов спускаемого аппарата. Проведённые исследования показали, что 1) плазма является средой с нелинейными динамическими свойствами, которые проявляются в резонансных диапазонах 1< Mi £ 1.6; 2) ионное число Маха является важнейшим параметром подобия и определяет структуру и характер распространения ударных волн в резонансных диапазонах и обтекание тел плазмой; 3) нелинейное плазмодинамическое взаимодействие в резонансных диапазонах может значительно превосходить газодинамическое взаимодействие; 4) классическая газовая динамика не может описать поведение сильных ударных волн и обтекание высокоскоростных тел в плазме; 5) разработка плазменных высокоскоростных аэродинамических технологий возможна только на основе законов нелинейной плазмодинамики. |