Энергообмен в сверхзвуковых газоплазменных течениях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

ЭНЕРГООБМЕН В СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОПЛАЗМЕННЫХ ТЕЧЕНИЯХ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

003460983

Новосибирск - 2009

003460983

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Бобашев Сергей Васильевич

доктор физико-математических наук,

профессор Князев Борис Александрович

доктор физико-математических наук,

профессор

Васильев Анатолий Александрович

Ведущая организация: Объединенный институт высоких

температур Российской академии наук

Защита состоится ¿?Л 2009 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Автореферат разослан « Д// » 0/_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.

Засыпкин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования ударных волн (УВ) и сверхзвуковых течений при наличии в среде локальных зон неоднородности различной природы имеют большое значение для решения практических вопросов, связанных с созданием новых методов управления сверхзвуковыми течениями и полетом летательных аппаратов. В рамках нового направления - магнитоплазменной аэродинамики изучаются возможности энергетического воздействия на поток с использованием плазменных технологий. В экспериментах применяются различные способы создания газоразрядной плазмы в широком частотном диапазоне электрических полей, вплоть до оптических частот (лазерное излучение). Об этом свидетельствуют обзоры полученных до конца 90-х годов прошлого столетия результатов расчетных и экспериментальных исследований этого направления, представленные в публикациях [1-3]. Исследования распространения УВ и полета тел в слабоионизованной неравновесной плазме электрических разрядов различного типа проводились с начала 80-х годов. Позднее в ряде экспериментов локальная неоднородность в сверхзвуковом потоке создавалась при лазерном пробое. В обзоре [4] исследований оптических разрядов в газе показано, что в зависимости от механизмов пробоя осуществляется различная газодинамика плазмы - от симметричного радиального расширения в лазерной искре до формирования высокоскоростной струи (вдоль направления излучения) за фронтом светодетонационной волны. Однако до настоящего времени как в численном моделировании течений с лазерным энергоисточником, так и при анализе экспериментальных результатов учитываются не все происходящие в плазме пробоя процессы. Следовательно, изучены не все возможности использования лазерной плазмы в решении актуальных задач управления течениями.

В теоретических исследованиях ударных волн в плазме выявлена сложная структура течения с формированием перед фронтом предвестников, имеющих различные пространственные масштабы. Неравновесная газоразрядная плазма вследствие нелинейных дисперсионных свойств является акустически активной средой, и в определенных условиях малые возмущения параметров усиливаются, кардинально изменяя характер поведения такой среды. Эти результаты и выводы указывают на широкие потенциальные возможности плазменных технологий с целью создания новых эффективных способов управления обтеканием тел. С другой стороны, в настоящее время имеется недостаточно полное представление о плазменных механизмах и условиях их существенного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Отсутствуют достоверные экспериментальные доказательства проявления таких механизмов. Свойственная газоразрядной плазме неоднородность структуры фактически не позволяет получить в экспериментах с использованием электрических разрядов однозначные результаты о роли плазменных механизмов на фоне неизбежного

и значительного «теплового» эффекта. Поэтому имеющиеся предположения о нетепловых механизмах, определяющих структуру волн в слабоионизованном газе, вследствие отсутствия прямых и убедительных доказательств не являются общепризнанными. Результаты исследований более сильных УВ, в которых газ перед фронтом ионизуется опережающим излучением, также не позволяют пока получить однозначное решение принципиального вопроса о роли плазменных механизмов в формировании структуры течения за фронтом. Об этом свидетельствуют многочисленные гипотезы и предположения относительно механизмов, определяющих структурные изменения и неустойчивость ударных волн в атомарных и молекулярных газах.

Обобщение опыта и результатов многочисленных исследований проявлений плазменных механизмов в структуре УВ приводит к выводу о необходимости выбора таких условий экспериментов, при которых эффект «теплого» слоя, обусловленный неоднородностью среды перед фронтом, не оказывает существенное влияние на структуру течения. В проведенных экспериментах с газоразрядной плазмой перед фронтом УВ это оказалось практически недостижимым. В экспериментах с сильными ионизующими волнами тепловой эффект является незначительным только при некоторых условиях, которые для инертных газов определены в расчетном исследовании [5]. С использованием этих данных установлено, что оптимальные для экспериментов в аргоне условия соответствуют малоизученному диапазону параметров: числа Маха М = 10-13, давление перед фронтом в пределах р = 133-1330 Па (1-10 Тор). Параметры плазмы за фронтом практически недоступны для измерений с необходимой точностью широко используемыми методами диагностики.

Таким образом, без новых подходов и методов исследования ударных волн не может быть решен принципиальный вопрос о том, каковы специфичные плазменные механизмы и условия их заметного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Без новых экспериментальных данных нельзя получить более полное представление о взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов, создать адекватные расчетные модели и определить условия эффективного энергетического воздействия на структуру высокоскоростных течений.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы - провести экспериментально-расчетное исследование взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов за фронтом ионизующих УВ и за пульсирующим оптическим разрядом в сверхзвуковом потоке.

Основные задачи:

разработать новые подходы к исследованию и определить адекватность общепринятой модели ионизационной релаксации за фронтом ионизующих УВ реальному процессу,

разработать расчетные модели импульсно-периодического лазерного энергоисточника в сверхзвуковом потоке с определением критерия квазистационарности, параметров течения за пульсирующей лазерной плазмой, образованной искровым разрядом и за фронтом светодетонационной волны.

Научно-технические задачи, решаемые в рамках данной работы: создание газодинамической установки для генерирования ударных волн в атомарных газах с необходимыми параметрами - числами Маха в диапазоне М = 10-13 (для аргона) при давлении газа перед фронтом несколько Тор;

разработка и создание измерительного комплекса, обеспечивающего одновременные измерения динамики плотности электронов и атомов, температуры в потоке за фронтом ионизующих ударных волн в условиях достаточно слабой (в диапазоне 0,1-1 %) степени ионизации газа;

разработка подходов и методик определения газодинамических параметров, а также кинетических характеристик в потоке неравновесной плазмы за фронтом УВ с учетом влияния реальных факторов (пограничный слой на стенках канала, излучение, примеси);

экспериментальные исследования оптического пульсирующего разряда в сверхзвуковом потоке с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры в его окрестности и при обтекании тел.

Методы исследования и достоверность результатов. Основные экспериментальные методы диагностики: комплексная ИК-диагностика с одновременной фотоэлектрической регистрацией фазового сдвига, коэффициента поглощения и шлирен-эффекта зондирующего излучения С02-лазера (10,6 мкм); двухволновая (3,39 и 1,15 мкм) интерферометрия; визуализация шлирен-методом волновой структуры и измерения аэродинамического сопротивления обтекаемых тел.

Достоверность полученных результатов обоснована применением комплексной диагностики с подробным анализом методических погрешностей измерений, с учетом возможного влияния систематических факторов, сравнением с результатами экспериментов, выполненных другими авторами; а также применением метода линейного регрессионного анализа многих экспериментальных данных в сравнении с результатами расчетов. Представленные в различных разделах работы экспериментальные данные не противоречат друг другу и создают целостную картину изучаемых явлений.

Научная новизна выполненной работы заключается в том, что: создан ИК-комплекс и решены методические вопросы диагностики сла-боионизованной равновесной и неравновесной плазмы в условиях оптической неоднородности и поглощения зондирующего излучения. Определена граница допустимых значений градиента плотности электронов, учтен вклад тормозного механизма поглощения при столкновениях электронов с атомами в общую величину коэффициента поглощения на длине волны С02-лазера, рассчитан коэффициент поглощения аргоновой плазмы в рабочем диапазоне температур 6000-20000 К и степени ионизации 0,1-1%;

проведены эксперименты с ударными волнами в малоизученном диапазоне чисел Маха М = 10,5-12,7, начальном давлении 3-10 Тор, с высокоточными (до 2-3% в области максимальных значений) измерениями распределений электронной плотности в плазме аргона за фронтом;

разработан новый подход к экспериментальному исследованию области лавинной ионизации за ударным фронтом, основанный на определении в рамках квазиодномерного течения газодинамических и кинетических (температура, источник электронов) параметров в неравновесной плазме с использованием результатов измерений динамики плотности электронов;

установлено с учетом влияния факторов неидеальности течения, что максимальные измеренные и рассчитанные равновесные значения плотности электронов за фронтом ударных волн в аргоне высокой чистоты наиболее близки в случае учета снижения потенциала ионизации в плазме по теории Дебая -Хюккеля. Это служит ее экспериментальным доказательством;

определены энергетические потери равновесной плазмы аргона в температурном диапазоне 9700-11000 К, подтвердившие применение принципа спектроскопической устойчивости для расчета интегральных радиационных потерь низкотемпературной плазмы в условиях доминирующей роли излучения в дискретном спектре;

установлено, что процесс лавинной ионизации отличается от расчетного сценария с использованием общепринятой модели ионизационной релаксации более сильными локальными градиентами температуры, источника электронов. Это указывает на наличие слабых температурных возмущений среды с величиной относительного изменения несколько процентов; экспериментально установлено их значительное усиление при М < 10,5-10,7;

выявлено в расчетах энергетического баланса электронов, что механизм ассоциативной ионизации возбужденных атомов при повышении их концентрации приводит к качественному изменению энергетической взаимосвязи электронов с атомами; это может быть причиной усиления возмущений в релаксационной зоне;

проведены эксперименты с оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом (М=2) потоке аргона с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры и измерениями аэродинамического сопротивления обтекаемых тел, позволившие определить подходы к расчетному исследованию, а также критерий квазистационарности течения;

разработаны на основе результатов экспериментов и известных механизмов распространения оптических разрядов аналитические модели для определения в сверхзвуковом потоке волновой структуры и параметров квазистационарного течения в тепловом следе за пульсирующей лазерной плазмой, образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны. На основе этих моделей установлено различие параметров течения в тепловом следе, вызванное различной динамикой плазмы пробоя.

Личный вклад автора в работу заключается в постановке задач экспериментов и их подготовке, разработке экспериментальных методик, проведении измерений, анализе и обобщении полученных данных при исследовании ионизующих У В. В подготовке и проведении экспериментов с пульсирующим разрядом в потоке автор непосредственно участвовал в составе группы исследова-

телей лаб. № 2 ИТПМ. Расчетные модели разработаны единолично, большинство опубликованных работ написано лично автором.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что:

разработаны методы ИК-диагностики, создан лазерный ИК-комплекс, позволяющий также использовать его в экспериментальной практике многих исследований низкотемпературной плазмы. Измерения возможны в области параметров, которая практически недоступна при использовании излучения видимого и микроволнового диапазонов;

получены экспериментальные данные, позволяющие модифицировать имеющиеся модели ионизационной релаксации за фронтом У В и на этой основе выявить реальную взаимосвязь между подсистемами электронов и тяжелых частиц в этой области течения, следовательно, уточнить представления о механизмах усиления возмущений в неравновесной плазме;

разработанные модели позволяют прогнозировать масштаб явления и характерные особенности эффектов энергетического воздействия лазерного излучения на структуру сверхзвукового потока и условия обтекания;

результаты работы могут быть использованы: при разработке численных моделей и анализе устойчивости сверхзвуковых течений релаксирующего и излучающего газа в каналах энергетических устройств; в исследованиях и разработке методов управления сверхзвуковыми течениями и полетом тел, основанных на использовании плазменных технологий.

Реализация и внедрение результатов исследований. Работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме: «Изучение газодинамики течения при подводе массы, энергии вблизи обтекаемой поверхности и горение в ограниченном сверхзвуковом потоке», а также в рамках хоздоговорной деятельности с НИИРП, МИЭФ по теме «Планета-2» и грантам РФФИ № 96-01-01947а, 00-01-00829а, 03-01-00902а.

На защиту выносятся:

- создание экспериментальной установки для исследования ионизующих ударных волн в требуемом диапазоне рабочих параметров;

- методы диагностики низкотемпературной плазмы на основе созданного лазерного ИК-комплекса;

- результаты разработки методических вопросов интерференционных и абсорбционных измерений в ИК-диапазоне спектра;

- разработанная методика определения газодинамических и кинетических параметров неравновесного потока за ударным фронтом, основанная на результатах измерений динамики плотности электронов и квазиодномерной (с учетом пограничного слоя) модели течения;

- экспериментальные данные о динамике и равновесных значениях плотности электронов за фронтом ионизующих ударных волнах в атомарных газах, результаты определения снижения потенциала ионизации и интегральных по спектру радиационных потерь равновесной плазмы аргона;

- результаты экспериментального исследования области лавинной ионизации аргона в ударных волнах, показывающие, что характер изменения температуры, источника электронов значительно отличается от расчетной динамики этих параметров, полученных в рамках общепринятой модели ионизационной релаксации;

- результаты экспериментальных исследований нестационарной и квазистационарной волновой структуры в сверхзвуковом (М = 2) потоке аргона с оптическим пульсирующим разрядом;

- разработанные расчетные модели и критерий квазистационарности волновой структуры и параметров течения в тепловом следе за пульсирующим лазерным энергоисточником в сверхзвуковом потоке при различных механизмах распространения оптического разряда.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах: XI Международном симпозиуме по основным проблемам и методам в механике (Сопот, 1973); VI Международном коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Стокгольм, 1977); на Международной школе-семинаре «Лазерные методы диагностики плазмы» (Минск, 1978); на I Советско-французском семинаре по физике плазмы (Москва, ИВТАН, 1978); на V Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979); на Всесоюзном семинаре по ударным трубам и ударным волнам (Черноголовка, 1980); на Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (ICMAR, Новосибирск, 1994, 1996, 1998, 2000); на 3-й Межгосударственной научно-технической конференции по оптическим методам исследования потоков (Москва, 1995); на семинаре Физико-химическая кинетика в газовой динамике (АВОГАДРО, Москва, Институт механики МГУ, 1999), на Международных конференциях по магнито-плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, ОИВТ РАН, 2001, 2002, 2003, 2005, 2007).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации содержатся в 36 научных публикациях (журналах, тематических сборниках, трудах конференций, препринтах), основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, две части, в составе которых 7 глав, заключение по диссертации, список используемой литературы (198 наименований), а также приложение (75 стр.) с собственным списком используемых источников (132 наименования). Общий объем диссертации включает 338 страниц, 69 рисунков (2 в приложении), 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследования. Кратко изложена научная новизна полученных в работе результатов, указана область их применения и приведены данные по апробации работы.

Первая часть посвящена методам и результатам исследования структуры течения равновесной и неравновесной плазмы атомарных газов за фронтом ионизующих ударных волн.

В первой главе представлен краткий обзор результатов исследований ионизующих УВ в атомарных газах. Экспериментально выявлены многочисленные эффекты неустойчивости ударных волн, механизмы которых не выяснены до настоящего времени. На основе анализа многочисленных данных разработаны подход, методы, а также определены условия экспериментов для исследования плазменных механизмов в структуре течения за фронтом ионизующих УВ в атомарных газах.

В п. 1.1 на основе имеющихся результатов исследований устойчивых УВ показано, что некоторые данные свидетельствуют о неполном соответствии общепринятой модели ионизационной релаксации реальному процессу. Особое внимание уделено роли излучения в формировании структуры ударных волн, которая определяется как объемными, так и локальными (на поверхности) радиационными процессами. Выход излучения из объема равновесной плазмы приводит к ее охлаждению и снижению ионизации. Поглощение этого излучения перед фронтом УВ сопровождается фотовозбуждением и столкновительно-радиационной ионизацией газа, не приводящих, однако, к нарушению одномерности параметров газа перед фронтом волны. В то же время поглощение излучения стенками и прогрев прилегающих слоев газа приводит к поперечной стратификации среды. В зависимости от степени неоднородности может произойти глобальная перестройка ударноволнового течения. В работе [5] определены граничные условия такой перестройки.

В п. 1.2 приводится феноменология неустойчивости, а также показано развитие представлений о причинах структурной неустойчивости УВ. Неудавшиеся попытки объяснить эффекты аномального поведения УВ на основе линейной теории устойчивости привели к выводу, особо отмеченному в теоретической работе [6], о необходимости различать собственно структурную неустойчивость и граничные эффекты, связанные с конкретными условиями распространения волны в канале. В подавляющей части работ граничные эффекты не учитывались, что могло повлиять на результаты и выводы исследований. Таким образом, именно по этой причине в изучении плазменных механизмов актуален вопрос об условиях экспериментов.

В п. 1.3 определены ограничения на рабочие параметры экспериментов в аргоне с учетом полученных в работе [5] граничных условий перестройки течения вследствие «теплового» эффекта. Эти параметры целесообразно выбирать в той области, где ожидается сильное проявление плазменных механизмов структурной неустойчивости УВ. Поэтому использовались также результаты теоретического исследования [7], в котором определены границы перехода от устойчивого к неустойчивому режиму течения вследствие спонтанной эмиссии звука фронтом УВ в аргоне. На основе результатов этих исследований [5, 7] определено, что изучение плазменных механизмов формирования структуры

ионизующих УВ в аргоне следует осуществлять в диапазоне чисел Маха М= 10-13 при давлении перед фронтом несколько Тор. Экспериментальные данные о характере и параметрах течения за фронтом УВ в этих условиях недостаточны из-за отсутствия эффективных методов и средств диагностики плазмы в диапазоне значений плотности электронов 1014—1016см~3 и Т~ 104К.

Во второй главе разработаны основы метода комплексной ИК-диагностики для исследования ионизующих УВ.

В п. 2.1 на основе краткого анализа оптических методов показано, что тенденция увеличения оптических характеристик (показатель преломления, коэффициент поглощения, угол поворота плоскости поляризации) плазмы в длинноволновой области спектра пропорционально квадрату длины волны Я2 позволяет реализовать метод комплексной диагностики с целью определения основных параметров плазмы - температуры и плотности электронов.

В п. 2.2 дается описание созданного ИК-комплекса для одновременной интерферометрии, абсорбционных и шлирен-измерений в плазме

-19

Рис. 2.1. Схема оптического ИК-комплекса. 1-3 - лазер, 4 - линза, 5 - модулятор, 6 - зеркало, 7 - призма, 8 - окна ИС, 9 - фильтр, 10 - делитель, 11 - нож, 12 - рассеиватель, 13 - фотоприемник, 14 -диафрагма, 15, 16 -пластины, 17-КНД, 18-плазма, 19 - сигнал калибровки.

за фронтом ударной волны. На рис. 2.1 представлена оптическая схема на базе интерферометра типа Маха - Цандера с использованием СОг-лазера (длина волны 10,6 мкм), Не-Ие-лазера (1,15 и 3,39 мкм). Особенностью разработанного прибора является применение светоделительных призм (7) из германия размером 20x35 мм, углом при вершине 1°. Созданный ИК-комплекс с СОг-лазером позволяет одновременно регистрировать фазовый сдвиг, коэффициент поглощения и шлирен-эффект зондирующего излучения. Пространственное разрешение интерферометра не более 1,3 мм с С02-лазером и 0,7 мм с использованием Не-№-лазера.

В п. 2.3 разработаны методические вопросы ИК-диагностики. В условиях сильной неоднородности среды траектория зондирующего луча искривляется и наряду с увеличением угла его отклонения также увеличиваются оптическая длина пути и фазовый сдвиг, что влияет на точность измерений. Поэтому основной задачей длинноволновой интерферометрии является определение величины дополнительного фазового сдвига в зависимости от длины волны зон-

дирующего источника и параметров неоднородности среды. Расчетный анализ проведен в приближении геометрической оптики.

Полученные результаты представлены на рис. 2.2 и определяют предельные значения градиентов плотности электронов, при которых справедливо идеализированное уравнение интерферометра <5А = 1(п - 1) с точностью менее 1/20 полосы (для ¿=10 см). Линия 1 определяется дополнительным фазовым сдвигом = (С<Л2)13А%гас1 пе)2, а 2 - в оптическом элементе (<52), который оказывает значительно меньшее влияние на результы измерений. Таким образом, интерферометрия неоднородной плазмы возможна в областях А, Б. В длинноволновой области ее возможности ограничиваются, главным образом, сильным (пропорциональным А3) увеличением дополнительного сдвига фазы вследствие искривления траектории луча. Установлено также, что эффектом поглощения зондирующего луча можно при этом пренебречь, погрешность может быть значительной в случае только очень сильного (более 90%) ослабления интенсивности зондирующего излучения.

С целью определения температуры электронов из абсорбционных измерений рассчитан коэффициент поглощения х в непрерывном спектре. Кроме основного электрон-ионного тормозного механизма (е-г-континуум с коэффициентом поглощения учитывался вклад тормозного механизма поглощения при упругих столкновениях электронов с атомами (е-а-континуум с коэффициентом поглощения /а), роль которого возрастает с уменьшением степени ионизации газа. С использованием прямой зависимости между величиной Ха и усредненным сечением переноса импульса а при е-а-столкновениях проведено численное определение зависимости о(Те) с учетом эффекта Рамзауэра для фиксированной частоты излучения С02-лазера в диапазоне температур 600020000 К. В результате определена зависимость величины полного коэффициента поглощения х - Хе + Ха от параметров слабоионизованной плазмы. Оценка относительной роли обоих тормозных механизмов поглощения показывает, что Хс/Хе ~ На рис. 2.3 представлены температурные зависимости

полного приведенного коэффициента поглощения ~ у/пе при фиксированных значениях плотности электронов в равновесной плазме аргона (слева); при различной степени ионизации неравновесной плазмы и пе= 1016 см"3 (справа). Выбранный диапазон близок к параметрам неравновесной и равновесной плазмы аргона (Т = (0,9-1,4)х104 К и а = 10~2-10~3) за фронтом УВ в

Рис. 2.2. Роль градиента плотности электронов в интерференционных измерениях неоднородной плазмы.

проведенных экспериментах. Пунктирными линиями показано изменение величины поглощения для основного е-/-континуума, когда х' ~ Тт. При снижении температуры происходит сильное отклонение от такой закономерности, вызванное вкладом тормозного механизма поглощения при столкновениях электронов с атомами. Данные на рис. 2.3 (справа, для пе = 1016 см"3) показывают, что температурная зависимость х*{Те) может качественно измениться при изменении степени ионизации в диапазоне а = 10"' - 10~3 вследствие «конкуренции»

Рис. 2.3. Температурная зависимость полного коэффициента поглощения х (10,6 мкм) при фиксированных значениях плотности электронов пе и степени ионизации а для равновесной (слева) и неравновесной (справа) плазмы аргона.

двух тормозных механизмов поглощения. В таких условиях вследствие большой погрешности определения температуры электронов применение абсорбционного метода нецелесообразно. Альтернативный метод определения температуры основывается на одновременной регистрации поглощения и излучения плазмы. Взаимосвязь величин регистрируемого излучения 3 и коэффициента поглощения % определяется соотношением: Л[ 1- ехр(- уЬ)] ~ Т (Те в неравновесной плазме) в ИК-диапазоне спектра.

В главе 3 дается описание газодинамической установки, созданной на базе ударной трубы. Также представлены результаты интерференционных и абсорбционных измерений, позволившие определить динамику основных параметров неравновесной и равновесной плазмы за фронтом УВ.

В п. 3.1 представлены схема и описание ударной трубы (УТ), действующей по двухдиафрагменной схеме. КВД - охлаждаемая водой стальная цилиндрическая камера с внутренним диаметром 57 мм и длиной 800 мм. Низковольтный (до 24 В) нагреватель переменного тока мощностью 15 кВт изготовлен из двух коаксиально соединенных тонкостенных труб (1 мм, нержавеющая сталь). При включении нагревателя температура и давление газа в КВД повышались вдвое до рабочих значений 14-16 МПа. Буферная камера длиной 2 м, КНД

Рис. 3.1. Схема газодинамической установки. КВД, КНД - камеры высокого, низкого давления, БК - буферная камера, ИС - измерительная секция, Р - рессивер 90 л, Н -омический нагреватель 15 кВт, Б - блок диафрагменный с электромагнитным клапаном ЭК, Дь Д2 - диафрагмы, 3 - затвор вакуумный, К - коллектор, Л - ловушка паров масла, КО - калиброванный объем для напуска газа, НВР-5Д и НОРД-250 - форвакуумный и электроразрядный насосы, ИД - ионизационные датчики, Э - эмит-терный повторитель, У-Ф - усилитель-формирователь импульсов, ЧЗ-Э4А - частотомер, БМ -блок питания модулятора МЛ-7, С1-33 и С8-11 - осциллографы, ГЗИ-6 и Г5-15 -генераторы.

(3,2 м) и ИС (0,2 м) с внутренним диаметром 76,6 мм изготовлены из нержавеющей стали. В диафрагменном блоке небольшого объема закреплены две диафрагмы с крестообразной насечкой. После нагрева «толкающего» газа и повышения его давления в КВД осуществлялся запуск установки включением ЭК. Аргон в буферной камере нагревался первичной ударной волной при разрыве диафрагм Д|. При разрыве второй диафрагмы Д2 генерировались более интенсивные ударные волны в КНД. При давлении буферного газа (3-5)х103 кПа достигались требуемые параметры: скорость УВ около 4 км/с при начальном давлении аргона 3 Тор.

В п. 3.2 представлены результаты комплексных измерений (10 мкм). Типичные сигналы, полученные с излучением С02-лазера при распространении УВ в аргоне, показаны на рис. 3.2. Основной вклад в показатель преломления ионизованной среды вносят электроны, вклад тяжелых частиц не превышает 0,5%. Анализ этих данных позволил получить однозначные выводы о динамике плотности электронов за фронтом ударных волн.

В п. 3.3 представлены результаты измерений с помощью одно- и двухвол-новой интерферометрии (10 мкм, 3,39 и

Рис. 3.2. Типичные сигналы ЙК-

комплекса с С02-лазером. а - интерференция, б — излучение, в -поглощение, г - шлирен-сигнал.

50 такс

Рис. 3.3. Интерферограммы-хроно граммы УВ в аргоне. М= 12, р\ = 5 Тор.

ким уровнем примеси 3x10

1,15 мкм). Чувствительность метода к электронной компоненте составляют величины 1,4х10|4см~3 и 7хЮ'4см~3 при использовании излучения С02- и Не-№-лазеров, соответственно. При двухволновой интерферометрии чувствительность к тяжелому компоненту составляет 1017 см'3. Интерфе-рограммы-хронограммы течения аргоновой плазмы, полученные при различных длинах волн, представлены на рис. 3.3. Для детального изучения интерференционного сигнала (10 мкм) на высокой частоте (до 2 МГц) параллельно использовался второй канал регистрации. Аналогичные сигналы получены в более слабых УВ в ксеноне.

Типичная динамика плотности электронов за фронтом ионизующих ударных волн в аргоне представлена на рис. 3.4. Профили слева получены с наиболее высо-а справа - при близких М, но с понижением со-

1,15 мкм

держания примеси в исследуемом газе: 3x10 3, 2x10-4 и 4x10 5.

пе, см "

о " • о О

О - 1 » -2 -3

пе, СМ

125 МКС

г> Я о »О . (Ъ

о -1

о -2

• -3

125 МКС

Рис. 3.4. Динамика плотности электронов за фронтом УВ в аргоне. Слева: = 3 Тор, М = 12,7 (/), 11,9 (2), 11,4 (3): справа: 5 Тор, М = 12 (/), 11,9 (2), 12,1 (3).

В области максимальных значений плотности электронов получена высокая (до 2-3%) точность определения этого параметра. При малых числах М ~ 10,5-10,7 интерференционные сигналы приобретают флуктуирующий характер, особенно сильный в области роста пе((). Этот эффект проявляется только в условиях достаточно большой протяженности зоны неравновесного течения. При ее сокращении, например повышением начального давления или уровня примеси, флуктуации не наблюдались. Таким образом, выявлены ранее неизвестные условия (р¡ = 5 Тор и М < 10,5), при которых происходит заметная структурная перестройка течения в ионизующих УВ в аргоне.

В п. 3.4 верифицированы результаты расчета коэффициента поглощения аргоновой плазмы с учетом измеренных в области ионизационного равновесия параметров. На основе абсорбционного (с использованием измерений пе), а также абсорбционно-эмиссионного методов определено распределение температуры неравновесной плазмы за фронтом УВ. Анализ данных проведен с учетом возможных случайных и систематических погрешностей используемых методов. Полученные абсорбционно-эмиссионным методом распределения относительного параметра 77Го, где То -расчетная равновесная температура за фронтом УВ в аргоне, представлены на рис. 3.5. Моменты достижения ионизационного равновесия обозначены стрелками. На рис. 3.5 относительная погрешность измерений ±10% возрастает до ±30% в обеих крайних точках измеряемого интервала вследствие уменьшения амплитуды сигналов. В неравновесной области потока наблюдается немонотонный характер изменения температуры электронов с быстрой сменой знака градиента, а также высокой (не ниже температуры атомов) величиной Те в начальной стадии процесса. Различная тенденция (как увеличение, так и снижение) в распределении температуры электронов до момента достижения равновесной плотности электронов получена также с помощью абсорбционного метода. Экспериментальные данные свидетельствуют об их несоответствии общепринятой модели, в которой электронная температура всегда ниже температуры тяжелого компонента, а градиенты Те значительно меньше наблюдаемых.

В главе 4 представлены результаты экспериментального исследования равновесной области течения в ударных волнах в аргоне и ксеноне.

В п 4.1 проведен сравнительный анализ результатов измерений и расчета равновесных значений плотности электронов. В уравнении ионизационного равновесия использовались различные модели снижения потенциала ионизации Д/, приведенные в сборнике [8]. Разность значений плотности электронов Дпе, полученных для этих моделей, увеличивается с ростом числа Маха ударной волны. При М = 13 величина Дnjne =10-15%, в то время как вследствие неопределенности начальных условий эксперимента Дnjne уменьшается до 6-7 %. Это позволило, используя регрессионный анализ экспериментальных данных, определить коэффициенты линейной регрессии для различных моделей расчета Д/. Результаты показали, что экспериментальные значения равновесной плотности электронов ближе всего к расчетным данным, полученным с применением

1.0

-■-Зтор, М=12

— •—5 тор, М=11.3

— 5 тор, М»11.8

ш

Рис. 3.5. Результаты абсорбционно-эмис-сионных измерений в аргоновой плазме за фронтом УВ.

модели Дебая - Хюккеля. Для получения окончательных выводов проведены оценки влияния на параметры равновесной плазмы таких факторов, как наличие молекулярных примесей, потери энергии излучения, развитие пограничного слоя. Установлено, что в условиях экспериментов с аргоном повышенной чистоты факторы неидеальности течения (вязкость, выход излучения) в конце релаксационной зоны оказывают близкое по величине и противоположное по знаку влияние на температуру равновесной плазмы. Это позволило на основе сравнительного анализа результатов измерений и расчета плотности электронов с учетом соответствующих оценок условий течения экспериментально подтвердить справедливость модели Дебая - Хюккеля для расчета снижения потенциала ионизации в плазме. Этот результат получен вследствие высокой точности измерений плотности электронов за фронтом УВ в условиях достаточно слабого проявления факторов неидеальности течения.

В п. 4.2 приводятся метод и результаты экспериментального определения энергетических потерь 2« равновесной плазмы аргона за фронтом ударных волн. С использованием законов сохранения в дифференциальной форме, установлено, что ()к ~ с!п/ск. Результаты измерений, полученных с точностью 20-25%, представлены на рис. 4.1. Пунктирными линиями представлен расчет радиационного потока в континууме, который в несколько раз меньше общих потерь. В условиях экспериментов доминирует выход излучения в дискретном спектре. Результаты приближенного расчета полных радиационных потерь (сплошные линии) близки к измеренным данным. Вклад континуума учитывался по формуле Би-бермана - Нормана, а учет интегрального излучения в линиях определялся в соответствии с принципом спектроскопической устойчивости. Увеличение QR с ростом числа Маха УВ обуслов-1 - эксперимент, 3 Тор, 2-5 Тор, 3 - рас- лено увеличением температуры (9700-чет излучения в континууме, 4 - расчет 11000 К) и давления (0,06-0,12 МПа) полного радиационного потока. плазмы. Таким образом, получил экс-

периментальное подтверждение метод расчета интегральных радиационных потерь плазмы в условиях относительно слабой ионизации (несколько процентов), когда доминирует излучение в спектральных линиях.

В главе 5 представлены результаты экспериментального исследования механизмов ионизации и межчастичного энергообмена в неравновесной плазме атомарных газов за фронтом ударных волн.

Рис. 4.1. Потери энергии аргоновой плазмы за фронтом УВ.

Система уравнений

дифф. вид квазиодноиерные

Начальные условия

Параметры Расчет Расчет

Р,и,р Т/0 5/0

1 ' &

Измерения >ш сЛг/Л 8,(0

Т.®

В п. 5.1 изложен метод исследования. В отличие от часто применяемого подхода, основанного на сравнении результатов измерений и расчета профилей плотности электронов, протяженности (длительности) релаксационной зоны, используемый метод исследования заключается в проведении сравнительного анализа измеренных и расчетных распределений кинетического параметра -источника электронов & = (¡(пеи)/ск. На рис. 5.1 представлена схема разработанного метода исследования. С использованием уравнений сохранения в дифференциальной форме и результатов измерений ие(0 в области лавинной ионизации определяются газодинамические параметры и 5/кс. Знание температурной зависимости $е(Те) позволяет также определить «экспериментальное» значение Тезт. Этот способ обработки данных обозначен на схеме как «эксперимент». В то же время использование измеренного распределения пе{() в уравнении баланса энергии электронов позволяет произвести расчет температуры электронов Герас (О, соответственно, 5/ас(0: что в общей схеме составляет расчетную часть обработки данных. Соответствие расчетной модели реальному процессу определяется условием й3"0 / 5ерас = 1, а при £еэкс / 5ера0 £ 1 требуется корректировка модели ионизационной релаксации.

В разработанном методе используется квазиодномерная модель течения за фронтом ударной волны, в которой течение вязкого газа за фронтом эквивалентно течению в канале переменного сечения: А(х) = Л(0)[1 - (хДт)^]'1, где Л(0) - сечение канала ударной трубы. В системе уравнений

Эксперимент

Рис. 5.1. Схема метода.

— риА(х) = О с/х

1 с!Р йи п

--+ и— = 0

р ¿к (¡х '

Л.

сЬс

ри

,.2 \

А+-

= 0

в конечном виде интегрируются уравнения сохранения потоков массы и энергии. Пренебрегая изменением давления вследствие слабой ионизации газа за фронтом волны, приближенное решение уравнения сохранения импульса можно определить расчетной функцией л(л)р5(М), используемой в квазиодномерной модели. При скорости волны щ расстояние х = и^, где ? - время регистрации от момента прохождения фронта. Полученные интегралы преобразуются к следующему виду, определяющему взаимосвязь газодинамических параметров неравновесного течения:

Р

-1+

1 +

8Д.

15я(х)

1 + -

М2

2Ах У 96о7; 15ф))

Лх{х) Pl

где Ах = J(0)/Â(x) = 1 - (x/lmf, пе = aplma. Типичные результаты представлены на рис. 5.2. Из измерений ne(t) (темные точки) определены распределения степени ионизации o(t), плотности p(t), 5,0 скорости потока u(t) относительно

фронта. Установлено, что в условиях экспериментов {а « 1 и и/щ « 1) «неидеальность» течения слабо проявляется при определении р и а, а также комплексного параметра Та0. Наиболее сильное влияние развитие пограничного слоя оказывает на скорость потока, которая уменьшается по сравнению с одномерным решением на величину до 20-30%.

Из дифференциальных уравнений сохранения и источника электронов получено выражение для определения «экспериментальных» значений SJKC:

0,5

Рис. 5.2. Параметры неравновесного

течения аргона за фронтом УВ. Сплошные линии - квазиодномерная модель, пунктирные линии - одномерное течение. р\ = 5 Тор, М = 11,9.

£ЭКС =

где

1 —

aRT

Irt+^IX-AU1) 2 1 2v

S' =

IR^+^I-AU1)

11 1 dA

иил11г-

Для условий экспериментов 5еэкс« К$(и/щ)с1п</Ж, ~ 0,8-1, вклад второго слагаемого 5 незначителен. Таким образом, влияние пограничного слоя проявляется в основном вследствие уменьшения относительной скорости потока.

В п. 5.2, п. 5.2.1 определены зависимости времени ионизационной релаксации т от уровня примесей и числа Маха УВ. Они согласуются с аналогичными результатами многих исследований, а в близких условиях практически совпадают. Проведена экспериментальная проверка полученного в теоретических исследованиях Н.М. Кузнецова [6] оценочного критерия неустойчивости УВ, который в инертных газах приобретает наиболее простой вид (г/гг) > 2,5. Время индукции г, = г-тг, где тг - длительность лавинной ионизации (зоны энергопоглощения). Полученные результаты указывают на необходимость учета допол-

нительных факторов, так как при уменьшении М (менее 10,7) параметр (г,/гг) уменьшается, но при этом наблюдается неустойчивый характер течения.

В п. 5.2.2 представлены методика и результаты измерений распределения источника электронов 5еэкс за фронтом УВ в аргоне при различных начальных условиях. Типичные данные (/) показаны на рис 5.3 слева. Общим свойством динамики этого параметра является быстрая, фактически одномоментная, смена знака градиента при переходе от процесса увеличения SfKC к стадии быстрого снижения этого параметра.

В п. 5.2.3 определены расчетные значения (2 на рис. 5.3 слева) источника электронов Sepac = ß(Te)nena- й(Ге)яД где ДГе), о(Ге) - коэффициенты ионизации и рекомбинации [9], зависящие от температуры электронов. Основной задачей являлось определение температуры электронов из уравнения энергетического баланса l,5A7'<.pac5fpac = Qe¡- Q,„, где Q,„ - скорость потерь энергии электронами при неупругих столкновениях (возбуждение, ионизация, излучение), Qe¡ — скорость нагрева при упругих столкновениях с атомами (а) и ионами (г). В области электронной лавины в приближении мгновенной ионизации потери энергии представляются в виде Q,n= E,SLFdc. Скорость нагрева электронов определяется механизмом упругих столкновений электронов с ионами, атомами: Qe¡ = = 1,5k{Ta -Te)ne2(mjma)(v,,a+vc¡), где частоты vea и v« упругих e-a- и e-i-столкновений определяются сечениями aJTe) и а,(Те) и известными выражениями: vea = па{ЪтпЛТе)т<Уа, Ve,= и,(8л???Д7;,)1/2о}, ve,(Te) = и,(4^2лтЗ)х х{тЛТе)гп(е2/те)21пА, где /«Л - кулоновский логарифм, учитывающий эффект экранировки заряженных частиц.

Используя уравнение энергобаланса электронов совместно с интегралом энергии Тао, получаем систему двух уравнений для определения расчетных значений температуры электронов и атомов:

(i,57; + £,)^pac(7;,)7;'-5

laOl\~la+(Xle и 1а~1е- _ 2, >-~--^ГГ'

C{ne ln А + С2пепаТ;аа(Те)

Численные значения величин C¡ и Сг зависят от рода газа и определяются при соответствующей подстановке универсальных констант. В аргоне эти величины Ci=l,5-10^ K3/2cmV, С2=25.6 ¥Гу2 см с"1. Таким образом, используя в системе уравнений результаты измерений ne(t), определяем распределение температуры электронов Г/30 и атомов 7Уас, а также расчетной величины источника электронов Sepx=ß{Te)nena- а{Те)пег. Эта последовательность расчетного определения параметров, основанная все же на результатах измерений распределения ne(t), представляет собой расчетную часть применяемого метода исследования. Полученные распределения 5'ерас (2) представлены на рис. 5.3 слева. Справа -расчетные распределения температур атомов Гарас и электронов Г/ас, а также «экспериментальные» распределения Теэкс, полученные из измеренных ne(t) и S/KC(0 с использованием известной температурной зависимости Se(Te).

t

\ \

\ \ \

\

5 " g

2,0

......

Рис. 5.3. Динамика кинетических параметров за фронтом УВ в аргоне. Слева: 1 - Sex\ 2 - &рас ; справа: 1 - Г/ас, 2 - ТГ\ 3 - Те'"с ; pi = 3 Тор, M = 12,47 (вверху), 12,2, 11,94 и 11.8 (внизу).

Характерная особенность распределений 5СЭКС(0 в0 всех экспериментах - это наличие более сильных, чем в расчетах градиентов (положительных и отрицательных) этого параметра в области их максимальных значений в очень узкой зоне, где фактически происходит скачок градиента 5еэкс(г). В то же время динамика расчетного параметра &.рас(/) характеризуется его плавным изменением. В области максимума 5еэкс параметр Б = 5еэкс/5ерас изменяется в пределах Б = 1-3. При Б ~ 1,8-2 выполняется условие Те ~ Та, а при более высоких 8 температура электронов превышает температуру атомов. Это противоречит общепринятой модели, так как при Та ~ Те = 0 в соответствии с вышеприведенным уравнением энергобаланса 5грас = 0, в то время как измеренный параметр 5еэкс имеет максимальные значения. Аналогичный результат получен также в криптоне за фронтом УВ при р 1=14 Тор и М = 11,4.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что за фронтом ударных волн процесс лавинной ионизации отличается от ожидаемого по расчетной модели как характером изменения источника электронов, так и абсолютной величиной этого параметра. Достоверность результатов обоснована оценками случайной погрешности их определения, используемых приближений. Также с использованием МДП-метода [9] и необходимых для расчета данных [10] проведена оценка роли атом-атомных столкновений с ассоциативной ионизацией возбужденных атомов.

Результаты экспериментов получают объяснение на основе взаимосвязи 5/кс - (Та - Те)экс, определенной из уравнения энергетического баланса электронов. Соответствие экспериментальных и расчетных данных, то есть б1/"0 = 5'ерас и Г/ас = 7УКС, означает также (Та - Те)ж = (Та - Ге)рас. Поэтому установленный в экспериментах результат Терас(!) Ф Т/кс({) указывает на то, что реальное распределение температуры тяжелого компонента отличается от расчетного на величину АТа = ТГ - Таж = Г/ас(0 - Г/кс(0> изменяющуюся в течение процесса лавинной ионизации. Из экспериментальных данных установлено, что максимальные величины относительного изменения ДТа!Та < ±0,05. При этом изменение знака АТа происходит в начальной стадии исследуемого процесса, максимальные значения имеют место в области максимальных градиентов 5/кс. Такой характер изменения температуры атомов и ионов относительно их расчетного распределения можно объяснить наличием в потоке слабых газодинамических возмущений, распространяющихся в неравновесной плазме со стороны фронта УВ. В рамках общепринятой модели усиление флуктуаций параметров невозможно вследствие отрицательной обратной связи электронов с тяжелыми частицами [6]. В то же время оценка роли механизма ассоциативной ионизации в энергобалансе электронов показала, что при увеличении концентрации атомов в возбужденных состояниях характер энергетической взаимосвязи компонентов неравновесной плазмы может качественным образом измениться и создать условия для усиления газодинамических возмущений.

В п. 5.2.4 полученные результаты сравниваются с экспериментальными данными предшествующих исследований, в которых эти данные представлены детально, с достаточно большим количеством измеренных пози-ций.Установлено с использованием разработанного метода, что аналогичный эффект качественного и количественного несоответствия измеренных и расчетных распределений источника электронов также имеет место в ранее проведенных исследованиях. Но впервые этот вывод обоснован и доказан в диссертационной работе благодаря применению более эффективного метода анализа результатов экспериментов.

Вторая часть работы посвящена расчетно-экспериментальному исследованию газодинамической структуры сверхзвукового потока с оптическим пульсирующим разрядом.

В главе 6, п. 6.1 на основе опубликованного в препринте [4] обзора многочисленных исследований лазерного пробоя в газе показано, что в зависимости от механизмов распространения разряда эффекты воздействия на сверхзвуковой поток могут различаться. То есть в решении задач управления течениями изучены не все возможности использования лазерного излучения.

В п. 6.2. представлены общие принципы создания расчетных моделей с учетом развития оптического пробоя в лазерной искре, за фронтом светодето-национной волны (СДВ), а также проведен сравнительный анализ квазистационарных параметров течения за оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом потоке.

В модели импульсно-периодической лазерной искры в сверхзвуковом потоке используется подход, впервые предложенный в расчетном исследовании [11]. Нестационарные решения сильного взрыва цилиндрического заряда с удельной величиной энерговклада £° = Р/и, (Р - средняя мощность поглощенного лазерного излучения, и„ - скорость потока) с помощью кинематического соотношения * = tu,, преобразуются в стационарную конфигурацию ударной волны и пространственные распределения параметров на достаточном удалении за областью энерговыделения, где осевые градиенты параметров значительно меньше радиальных. Новизна такого подхода в данной работе заключается в следующем. Во-первых, используются неавтомодельные (то есть с учетом противодавления) решения точечного (цилиндрического) взрыва, полученные В.П. Коробейниковым с сотрудниками [12]. Во-вторых, устранена особенность решения в центральной области (г = 0), где в рамках модели точечного взрыва плотность имеет нулевое значение, а температура и скорость звука стремятся к бесконечности. Реальные параметры, естественно, имеют конечные значения. С учетом свойств используемых решений и данных ряда экспериментов в [4] установлено, что в реальном процессе параметры в центре расширяющейся области энерговыделения близки к их расчетным значениям на границе г0 этой области при переходе от адиабатического расширения плазмы к изобарической стадии течения. Характерной особенностью решения является локализация зоны низкой плотности в ограниченной радиусом г<г0 области, за пре-

делами которой плотность быстро растет. Это свойство наглядно иллюстрируется на рис. 6.1, где показаны изменения относительного радиуса ударной волны rs/r° (1), границы центральной зоны гй/г° (2), а также следующей расчетной точки Г\/ r° (3), которая определяет область (г0 < г < Г]) максимальных градиентов плотности при увеличении относительного времени t/t° после взрыва. Динамические параметры определяются следующими выражениями г° = (Е?/р„)иг и t°=r°(pjp„)m, индекс оо соответствует параметрам невозмущенного потока.

■г 01 .

е-

0J 6 2

г.

время, t/t

0,9 1,0 1.2

время, (/

Рис. 6.1. Динамика волновой структуры (1-3) и параметров (4-6) в центральной области для модели цилиндрического взрыва в газе (у= 1,4). 1 - относительный радиус ударной волны, 2 - граница го центральной зоны низкой плотности, 3 - область п максимальных градиентов. Относительные значения параметров в центре (г -0): 4 - давление, 5 - скорость звука, 6 - плотность (увеличено в 10 раз).

При любых £° и условии t/i"> т = 0,116-0,204 (у~1,4) с хорошей точностью выполняется условие rj у = const =0,13. При этом же условии, за время t = rf течение в центре становится изобарическим, так как ро = const = р«, (кривая 4). Слабо изменяются также скорость звука (кривая 5) и плотность (кривая б, увеличена в 10 раз), их значения составляют: р(/ = 1, р 0/р„ = 0,045-0,047 и cjc„ = 4,5-4,6. С учетом кинематической взаимосвязи х ~ Шв полученные данные характеризуют волновую структуру и пространственное распределение параметров в центральной зоне потока за областью энерговыделения. Расстояние от точки энергоподвода до области установившихся параметров (изобарической стадии течения) с характерным радиусом го s 0,1 Зг° определяется координатой х = !/„?*= т Центральная область г < г0 характеризуется как тепловой след, в котором движущийся со скоростью внешнего течения их газ имеет низкую плотность и высокую температуру.

В рамках данного подхода определены условия «точечного» и «мгновенного» энерговыделения с использованием соотношений для характерных пространственно-временных масштабов: R/r0 «1 и tit ~ (R/ro)/^12М„т*«1, где R -радиус области энергоподвода. Установлен также параметр подобия в виде

(F/TvLc„ p«)"2 или (P/pJ)xn при фиксированном числе Маха потока, аналогичный такому параметру для модели сильного взрыва.

Разряд с поглощением излучения за фронтом светодетонационной волны получил объяснение в работе Ю.П. Райзера [13]. Механизм распространения разряда - гидродинамический, аналогичный газовой детонации, с ударной волной, за фронтом которой образуется сильноионизованная плазма с очень узкой зоной поглощения излучения. Скорость V распространения фронта СДВ определяется выражением V = [2{f - 1 )l/pjfn, где I - интенсивность излучения в сечении луча. В типичном для этого режима диапазоне плотностей мощности излучения С02-лазера I =108-Ю10 Вт/см2 эта скорость гиперзвуковая (порядка 10 км/с). Параметры потока сразу за фронтом СДВ (индекс W) - плотность, давление, внутренняя энергия (или энтальпия), скорость потока и скорость звука определяются известными для детонационной волны соотношениями:

pw/p~ = (7+ 1)/% pwfp-v2 = 1/(1 + % elv/V2= 1 f(r~ 1), uïï=cw= yVl(y+ 1).

В расчетной модели разряда в сверхзвуковом потоке предполагается, что излучение направлено вдоль по потоку, следовательно, волна световой детонации распространяется навстречу излучению и потоку. Кроме того, предполагается, что: 1) скорость потока значительно меньше скорости светодетонационной волны, т.е. и„ « 10 км/с, 2) течение в тепловом следе является изоэнтропи-ческим. Второе предположение следует из результатов численного моделирования [14] структуры и параметров течения при распространении светодетонационной волны в покоящемся газе.

Основной задачей данной модели является определение квазистационарного распределения вдоль по потоку давления р(х) за областью пульсирующего оптического разряда, поскольку изменения других параметров течения рассчитываются по формулам изоэнтропического течения:

h /hw = (plpw m, p/pw = Ww f7, c/cw = (p!pw ) <>-1V2}; u1 + 2h = uw1 + 2 hw.

Для расчета распределения p{x) используется модель точечного взрыва с удельной энергией £°= P/V и соответствующим преобразованием t = x/V. Пиковая мощность Рр импульсно-периодического излучения зависит от соотношения длительности импульса т к периоду Г и определяется выражением PJP - т/Г. Расчет производится для момента окончания лазерного импульса t = т, когда светодетонационная волна завершает формирование протяженной плазмы.

Результаты расчета распределения параметров (по потоку) представлены на рис. 6.2, где характерным масштабом (отн. ед.) является величина х = iut°. Плотность (кривые 1, 2), числа М/М«, и M (кривые 3, 4), а также энтальпия значительно отличаются вследствие различной динамики лазерной плазмы. Например, за искровым разрядом имеем М/Мм = 0,2; течение в тепловом следе дозвуковое в потоке при NL < 5, сверхзвуковое течение в следе устанавливается при М^> 5; плотность быстро уменьшается примерно в 30 раз (в изобарической стадии течения) относительно плотности основного потока. Во втором случае

(СДВ) число Маха М растет с увеличением расстояния в пределах М = 1-1,4, и практически не зависит от скорости потока; плотность снижается более чем вдвое по сравнению с первым режимом. За областью пробоя в изобарической стадии течения формируется разреженная сверхзвуковая плазменная струя диаметром порядка 10 диаметров области фокусировки, с высокой скоростью и невысоким числом Маха. Это обусловлено высокой температурой (скоростью звука) в струе, что подтверждается результатами расчета энтальпии, представленными справа на рис. 6.2.

1,4

5

1,2

<ц

X 1,0

1-

о

£ 0,8

S

о X 0,6

н

0,4

с

0,2

0,0

100-,

2

ч

О) X

60

40-

20-

0,0

—1—'—1—'—I—'—I— 0,2 0,4 0,6 0,8

~1— 1.0

1,2

~1—

0,0

—1—

0,2

—!—

0,4

~1—

0,6

0,8

—1— 1,0

—J— 1,2

расстояние, отн.ед.

расстояние, отн.ед.

Рис. 6.2. Распределение плотности (1,2, увеличено в 10 раз), М/М„ (3) и абсолютных значений M (4), энтальпии (справа) в тепловом следе.

1,3- лазерная искра; 2,4- режим СДВ.

Общим свойством квазистационарной волновой структуры для обоих механизмов оптического разряда является их схожесть по внешним проявлениям, таким как тепловой след низкой плотности, а также головная ударная волна в окрестности области энерговыделения. Конфигурация головной волны образуется наложением нестационарных, практически сферических волн с параметрами, определяемыми моделью точечного взрыва. Поэтому она идентична для обоих типов разряда при условиях относительно небольшой протяженности лазерной плазмы, короткой длительности импульсов относительно интервала между ними. В то же время границы теплового следа и распределение параметров значительно отличаются вследствие различной динамики лазерной плазмы. Формирование высокоскоростной плазменной струи вдоль направления распространения излучения за фронтом светодетонационной волны и радиальное расширение плазмы пробоя с меньшей скоростью в лазерной искре являются главной причиной различия параметров квазистационарного течения в тепловом следе за пульсирующей лазерной плазмой в сверхзвуковом потоке.

В главе 7 представлены результаты экспериментально-расчетного исследования структуры течения за пульсирующей лазерной плазмой в сверхзву-

ковом потоке. Длительный квазинепрерывный подвод энергии в сверхзвуковой поток впервые осуществлен в ИТПМ СО РАН в лаборатории №2 под руководством П.К. Третьякова. В совместных экспериментах с сотрудниками ИЛФ СО РАН (А.И. Иванченко, Г.Н. Грачев и др.) использовалось импульсно-периодическое излучение С02-лазера со средней мощностью 1,5-2,5 кВт и частотой следования импульсов/= 12,5-100 кГц.

В п. 7.1 описываются экспериментальная установка, используемые методы и результаты визуализации, измерений аэродинамического сопротивления установленных в потоке моделей, изложенные подробно в публикации [15], изданной при участии автора диссертационной работы.

Результаты визуализации нестационарной (вверху) и квазистационарной структуры течения аргона в рабочей камере в расчетном режиме с числом

М = 2 представлены на рис. 7.1. Верхние шлирен-снимки получены с экспозицией 7 не, то есть демонстрируется фактически «мгновенная» газодинамическая структура потока. С оптическим пульсирующим разрядом в потоке появляется серия ударных волн, внешняя огибающая которых проявляется на нижних снимках в виде стационарной ударной волны перед плазмой разряда. Кроме того, на нижних снимках с длительной экспозицией (0,01 с) регистрируется свечение не только разрядной плазмы, но также теплового следа с почти постоянным диаметром (4-5 мм) за областью пробоя. Результаты визуализации подтверждают используемый в моделях общий подход к определению квазистационарной волновой структуры.

Проведенные измерения аэродинамического сопротивления (АС) моделей (все диаметром 6 мм) показали, что из варьируемых условий эксперимента (тип модели, расстояние от разряда, мощность, частота импульсов/ = 12, 25, 45, 100 кГц) основным фактором изменения АС является частота следования лазерных импульсов. Основной результат всех измерений заключается в снижении АС на 40-50% при увеличении частоты следования импульсов до значений /«50 кГц и прекращении эффекта снижения при более высоких частотах.

В п. 7.2 на основе результатов экспериментов определен критерий квазистационарности. Установлено, что условием относительно слабого изменения параметров в тепловом следе за плазменным энергоисточником является слияние областей низкой плотности, которые образуются в потоке газа последова-

■V'*'' и • г <4 • ' А

Г] ВДрарр^ф^^^^ДЯв^ЯВиа^ИВ ■ . . ; - ■ Й Л:;- 5 4

Рис. 7.1. Результаты визуализации потока М = 2. Время экспозиции 7 не (вверху), 10 мс (внизу).

тельной серией импульсов излучения. При скорости потока и длине плазмы Ь соотношением /пор ~ и«/Ь определяется пороговая частота перехода от нестационарного к квазистационарному течению, в то время как для сферической

области/п0р ~ и«,5'3. При короткой длительности импульса излучения, то есть при условии т « 1//пор, критерий квазистационарности не зависит от механизмов формирования оптического разряда.

В п. 7.3 проведен сравнительный анализ результатов экспериментов и расчета квазистационарной волновой структуры параметров теплового следа для проанализированных выше механизмов разряда в сверхзвуковом (М = 2) потоке аргона. Основной целью является проверка соответствия одной из расчетных моделей реальному течению в условиях экспериментов, а также обоснование предположений, используемых в главе 6 при разработке этих моделей.

Лазерная плазма за фронтом СДВ. Для условий экспериментов при /= 100 кГц V = 5,7 км/с, рц> = 34 МПа, % = 40 МДж/кг и температура плазмы за фронтом 24500-25000 К. Пик параметров достигается в узкой зоне протяженностью не более диаметра лазерного луча. На рис. 7.2 представлены полученные из решений модели точечного взрыва распределения относительного давления р(/руу в центральной области течения в различные моменты времени после пробоя в точке х = I = 6,3 мм (? = 0). СДВ движется навстречу лучу и достигает точки х = 0 при /=1,1 мкс. Вертикальная линия 1 соответствует появлению лазерного импульса (? = 0), когда р0 = профиль 2 - его окончанию (1,1 мкс), а 3 - началу следующего лазерного импульса (? = 1//). Эти результаты показывают, что на не-

большом (не более 23 мм) расстоянии за фронтом СДВ происходит очень резкий спад давления от 34 МПа до уровня, сопоставимого с давлением в потоке (56 КПа). Все три профиля давления при удалении от области пробоя сближаются по величине на расстоянии порядка протяженности зоны пробоя (около 6 мм), и течение становится изобарическим. Таким образом, достаточно близко за нестационарной областью оптического пробоя устанавливается квазистационарный характер течения

Рис. 7.2. Распределение давления (расчет) в окрест ности оптического пульсирующего разряда. ( = 0 (1), т (2) и 11/ (5); 2 - учет неодномерности.

со слабо изменяющимся вдоль по потоку распределением давления и других параметров. Быстрый переход к установившемуся течению подтверждается также характером свечения на рис. 7.1, где область высокой яркости плазмы пробоя сменяется областью слабого изменения интенсивности свечения вдоль теплового следа.

В предыдущей главе использовано предположение о том, что в расчетной модели квазистационарное распределение давления за областью пробоя определяется в момент окончания лазерного импульса, когда плазма пробоя полностью сформирована. Это предположение получило экспериментальное подтверждение при сравнении размеров области свечения следа и расчетов радиуса низкой плотности в разные моменты времени от начала лазерного импульса. Результаты измерений (показаны на рис. 7.3) оказались ближе к расчетным данным, соответствующим моменту окончания лазерного импульса.

В рамках данной модели возможны оценки роли неодномерности течения вследствие радиального расширения лазерной плазмы, радиационных потерь энергии. Эффект неодномерности учитывается с использованием эффективного коэффициента энерговклада [11]. Результаты оценки с коэффициентом 0,5 представлены на рис. 7.2 данными 2*. Роль радиационных потерь энергии плазмой в общем энергетическом балансе определяется прямым сравнением лучистого потока с потоком энтальпии Б я ~ РоУН^. Для условий экспериментов получено Бд/Зцг ~ 0,036. Так как « 1 эффект радиационных потерь энергии незначителен.

Лазерная искра в сверхзвуковом потоке. Для выявления характерных отличий течения при разных механизмах пробоя для одних и тех же условий экс-

градиентов Г[ изображены ниже оси Ох. Сплошные Рис. 7.3. Волновая структура и распределение плот- линии соответствуют зна-ности за точечным энергоисточником в потоке М = 2. чениям у-1,3 (ионизован-

перимента проведен также расчет волновой структуры и параметров теплового следа за лазерной искрой. На рис. 7.3 представлены результаты расчета волновой структуры и радиальных профилей относительной плотности в потоке аргона М„ = 2 с точечным выделением энергии (х - 0) при /= 100 кГц и средней мощности Р = 1,6 кВт. Границы областей низкой плотности г0 и сильных

ный аргон), штриховые линии - значениям у= 1,67 (атомарный газ). Радиус г0 быстро стабилизируется (около 1,2 мм) и затем практически не изменяется, в то время как область сильных градиентов r0~ri расширяется. Для сравнения линия 3 показывает радиус теплового следа для пробоя за фронтом свето-детонационной волны. Результаты измерений радиуса свечения плазмы (светлые точки) ближе к этим расчетным данным. На этом же рисунке представлены расчетные конфигурации квазистационарной головной ударной волны (/, 2) для вышеуказанных значений у. Результаты измерений обозначены темными точками. Квазистационарная конфигурация головной УВ идентична для обоих режимов лазерного разряда, так как образуется суперпозицией нестационарных практически сферических ударных волн. Для сравнения стрелками 10£° обозначено изменение конфигурации УВ и соответствующих границ при десятикратном увеличении мощности. Наиболее сильные изменения претерпевает размер теплового следа.

Экспериментальные данные подтверждают расчетные модели в том, что волновая структура обоих режимов лазерного энергоподвода имеет схожие внешние проявления, хотя динамика границ теплового следа различается. В условиях экспериментов это различие слабое из-за небольших масштабов течения. Согласно расчетным моделям существенно различаются квазистационарные скоростные характеристики в тепловом следе. На рис. 7.4 представлены числа Маха Мо и относительного давления торможения (рс/р„)* в изобарическом течении в зависимости от числа Маха потока М- В режиме СДВ (линии I) течение в тепловом следе всегда сверхзвуковое (М0> 1), а в режиме лазерной искры (линии II) течение сверхзвуковое только при > 5, Наиболее сильное снижение параметра торможения (ро /р~)* происходит в области значений М«, < 5. Следовательно, эффекты энергоподвода при Мо» > 5 гораздо слабее зависят от скорости основного потока, особенно в режиме лазерной искры. На рис. 7.4 отмечен также (знаком +) результат измерений давления торможения в центре теплового следа, который дополнительно подтверждает соответствие с расчетом для режима СДВ. Таким образом, выбранный подход и используемые в создании расчетных моделей предположения получили экспериментальное подтверждение. Разработанные модели позволяют прогнозировать масштаб явления, характерные особенности

(Po/PJ' 1,0

м0

0,5

1 1 -

—д I_____ -

\ 2*\

-

П\

о 5 М„ 10

Рис. 7.4. Скоростные параметры течения в

тепловом следе. I - СДВ, II - лазерная искра, (+) - эксперимент.

эффектов энергетического воздействия лазерного излучения на сверхзвуковой поток и условия обтекания тел.

В приложении представлен обзор исследований ударных волн, распространяющихся в неоднородной газоплазменной среде, во взаимосвязи с общей проблемой управления сверхзвуковыми течениями. Показано развитие концепции управления обтеканием тел при локальном подводе энергии с применением плазменных технологий, основанных на использовании электрических полей различного частотного диапазона (вплоть до оптических частот). Показано, что изучение структуры ионизующих УВ является одним из логичных и перспективных направлений исследований плазменных механизмов и условий их значительного влияния на структуру ударных волн и сверхзвуковых течений.

Цитируемая литература

1. Левин В.А. Взаимодействие быстролетящих тел с атмосферными неоднородностями // Моделирование в механике. Новосибирск: Наука, 1993. Т. 7(24). № 2.

2. Пилюгин H.H., Талипов Р.Ф., Хлебников B.C. Сверхзвуковое обтекание тел потоком с га-

зодинамическими и физико-химическими неоднородностями // ТВТ. 1997. Т. 35. № 2. С. 322-336.

3. Chernyi G.G. The Impact of Electromagnetic Energy Addition to Air Near the Flying Body on Its

Aerodynamic Characteristics (Russian Contribution) // II Workshop Weakly Ionized Gases. Norfolk. AIAA. 1998. P. 1-20.

4. Фомин В.M., Яковлев В.И.. Физические модели лазерного энергоподвода в газовый поток.

2004. 43 с. (Препринт/РАН. Сиб. отд-ние. ИТПМ, №2-2004).

5. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Пастернак В.Е., Филимонова Е.А. Влияние опережаю-

щего излучения на структуру течения и ионизацию за фронтом ударных волн в инертных газах//Известия АН, МЖГ. 1991. №3. С. 124-131.

6. Кузнецов Н.М. Устойчивость структуры ударных и детонационных волн // ХФ. 1993. Т. 12. № 3. С. 291-298. [См. также: УФН. 1989. Т. 159. В. 3. С. 493-527.]

7. Mond M. and Rutkevich I. and Toffin E. Stability of ionizing shock waves in monatomic gases //

Phys. Rev. E. 1997. Vol. 56. No. 5. P. 5968-5978.

8. Методы исследования плазмы / Под ред. В.Лохте-Хольтгревена. М.: Мир, 1971.

9. Биберман Л.М., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной

плазмы. М.: Наука, 1982. 375 с.

10. Физико-химические процессы в газовой динамике. Т. 1 // Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. 350 с.

11. Myrabo L.N., Raizer Yu.P. Laser induced air-spike for advanced transatmospheric vehicles // AIAA Paper No. 94-2451. 1994. P. 1-13.

12. Коробейников В.П., Чушкин П.И., Шароватова K.B. Газодинамические функции точечного взрыва. М.: ВЦ АН СССР, 1969. 47 с.

13. Райзер Ю.П. Нагревание газа под действием мощного светового импульса // ЖЭТФ. 1965. Т. 48, вып. 5. С. 1508-1519.

14. Thomas P.D. Jet flowfíeld behind a laser supported detonation wave // AIAA J. 1977. Vol. 15, No. 10. P. 1405-1409.

15. Третьяков П.К., Тупикин A.B., Яковлев В.И. Пространственно-временные масштабы газодинамической структуры сверхзвукового течения с импульсно-периодическим лазерным энергоподводом. Новосибирск, 1997. 23 с. (Препринт / РАН Сиб. отд-ние. ИТПМ, № 9-97).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты и выводы:

1. С использованием двухдиафрагменной ударной трубы с предварительным подогревом «толкающего» газа (гелий) до температуры 600 К и рабочем давлении 15 МПа создан импульсный газодинамический стенд, обеспечивающий генерирование ударных волн со скоростью распространения 3,4-4,1 км/с в атомарных газах при начальном давлении 400-1330 Па (3-10 Тор), равновесной температурой плазмы аргона за фронтом в диапазоне 10000-12000 К.

2. Разработан и создан измерительный ИК-комплекс для одновременной лазерной интерферометрии, абсорбционно-эмиссионных измерений, позволивший получить экспериментальные данные о динамике плотности и температуры электронов в потоке атомарных газов за фронтом ионизующих ударных волн.

3. Решены методические вопросы ИК-диагностики слабоионизованной равновесной и неравновесной плазмы в условиях оптической неоднородности и поглощения зондирующего излучения. Определена граница допустимых значений градиента плотности электронов, учтен вклад тормозного механизма поглощения при столкновениях электронов с атомами в общую величину коэффициента поглощения на длине волны С02-лазера, рассчитан коэффициент поглощения аргоновой плазмы в рабочем диапазоне температур 6000-20000 К и степени ионизации 0,1-1%.

4. Разработан новый подход к экспериментальному исследованию области лавинной ионизации за ударным фронтом, основанный на определении в рамках квазиодномерного течения газодинамических и кинетических (температура, источник электронов) параметров в неравновесной плазме с использованием результатов измерений динамики плотности электронов.

5. Проведены эксперименты с ударными волнами в аргоне, в малоизученном диапазоне чисел Маха М = 10,5-12,7, с высокоточными (до 2-3% в области максимальных значений) измерениями динамики электронной плотности за фронтом, позволившими получить следующие результаты:

- установлено с учетом влияния факторов неидеальности течения (развитие пограничного слоя, энергетические потери, примеси), что максимальные измеренные и рассчитанные равновесные значения плотности электронов за фронтом ударных волн в аргоне высокой чистоты наиболее близки в случае учета снижения потенциала ионизации в плазме по теории Дебая-Хюккеля. Это служит ее экспериментальным доказательством;

- определены энергетические потери равновесной плазмы аргона в температурном диапазоне 9700-11000 К, показавшие возможность применения принципа спектроскопической устойчивости для расчета интегральных радиационных потерь низкотемпературной плазмы в условиях доминирующей роли излучения в дискретном спектре;

- установлено, что процесс лавинной ионизации отличается от расчетного сценария в рамках общепринятой модели ионизационной релаксации более сильными локальными градиентами температуры, источника электронов. Это указывает на наличие слабых температурных возмущений среды с величиной относительного изменения несколько процентов; экспериментально установлено, что их существенное усиление происходит при М < 10,5-10,7;

- выявлено в расчетах энергетического баланса электронов, что механизм ассоциативной ионизации возбужденных атомов при повышении их концентрации приводит к качественному изменению энергетической взаимосвязи электронов с атомами; это может быть причиной усиления возмущений в релаксационной зоне.

6. Проведены эксперименты с оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом (М = 2) потоке аргона с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры и измерениями аэродинамического сопротивления обтекаемых тел, позволившие определить критерий квазистационарности течения; показано, что требуемая частота следования лазерных импульсов зависит от протяженности области пробоя, скорости потока и не зависит от механизмов формирования оптического разряда при условии короткой длительности импульса излучения относительно характерного масштаба времени.

7. Разработаны на основе результатов экспериментов и известных механизмов распространения оптических разрядов аналитические модели для определения в сверхзвуковом потоке волновой структуры и параметров квазистационарного течения в тепловом следе за пульсирующей лазерной плазмой, образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны. На основе этих моделей установлено различие параметров течения в тепловом следе, вызванное различной динамикой плазмы пробоя.

Основные результаты диссертационной работы представлены в следующих 36-ти публикациях.

Soloukhin R.I., Yakobi Yu.A., Yakovlev V.l., Studing of ionizing shock waves by IR-

diagnostic technique//Archives of Mechanics. 1974. Vol. 26, No. 4. P. 637-646. Солоухин Р.И., Якоби Ю.А., Яковлев В.И. Исследование ионизирующих ударных волн методами инфракрасной диагностики // Газодинамика и физическая кинетика. Новосибирск, 1974. С. 158-160. (Сб. науч. тр. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИТПМ.) Якоби Ю.А., Яковлев В.И. Роль неоднородности и поглощения среды в интер-ферометрических измерениях // Вопросы газодинамики. Новосибирск, 1975. С. 257-260. (Сб. науч. тр. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИТПМ.) Солоухин Р.И., Якоби Ю.А., Яковлев В.И. Исследование равновесной зоны за фронтом ионизующей ударной волны // Физика горения и взрыва. 1977. №3. С. 481-483.

Булышев А.Е., Суворов А.Е., Преображенский Н.Г., Яковлев В.И. К вопросу о плотности электронов перед фронтом ударной волны в аргоне // ЖТФ. 1977. Т. 47. С. 1991-1992.

Яковлев В.И. Поглощение инфракрасного излучения, обусловленное торможением электронов на атомах аргона // Методы исследования радиационных свойств среды. Новосибирск, 1977. С. 4-5. (Сб. науч. тр. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИТПМ.)

Вагин С.П., Кацнельсон С.С., Яковлев В.И. Расчет радиационных характеристик аргоновой плазмы // Методы исследования радиационных свойств среды. Новосибирск, 1977. С. 30-180. (Сб. науч. тр. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИТПМ.)

Vagin S.P., Yakobi Yu.A., Yakovlev V.l., Soloukhin R.I. Experiments on radiative cooling of a shock-heated gas // Revue de Physique Appliquée. 1978. Vol. 13. P. 399-403.

Яковлев В.И. Экспериментальное исследование кинетики ионизации аргона, нагретого ударной волной // V Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы: Тезисы докладов. Киев, 1979. С. 543.

Гусев Е.И., Рудницкий А.Л., Яковлев В.И. ИК-измерения за фронтом ударной волны // Методы инфракрасной диагностики / Под ред. Р.И. Солоухина. Минск: ИТМО, 1982. С. 118-121.

Солоухин Р.И., Якоби Ю.А., Яковлев В.И. Инфракрасная интерферометрия // Методы инфракрасной диагностики / Под ред. Р.И. Солоухина. Минск: ИТМО, 1982. С. 3-31.

Григорьев П.В., Красников Ю.И., Рудницкий А.Л., Яковлев В.И. Дифференциальный лазерный интерферометр в ИК-области с внутренней калибровкой сигнала для исследования ионизующих ударных волн в газах // Лазерные пучки. Распространение в средах и управление параметрами. Хабаровск, 1985. С. 96-100. (Сб. науч. тр. / Мин-во обр. РСФСР, ХПИ.)

Tretyakov Р.К., Kraynev V.L., Grachev G.N. Yakovlev V.l. et al. A powerful optical pulsating discharge as the source of energy release in a supersonic flow // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt. 2. Novosibirsk, 1994. P. 224-228.

Третьяков П.К., Гаранин А.Ф., Крайнев В.Л., Тупикин A.B., Яковлев В.И. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического пульсирующего разряда // Математическое моделирование. Аэродинамика и физическая газодинамика / Под ред. В.М. Фомина. Новосибирск: Изд. ИТПМ СО РАН, 1995. С. 70-78.

Tretyakov Р.К., Fomin V.M., Yakovlev V.l. New principles of control of aerophysi-cal processes. Research development // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt. 2. Novosibirsk, 1996. P. 210-220.

Третьяков П.К., Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н., Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н., Яковлев В.И. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического пульсирующего разряда // ДАН. 1996. Т. 351, № 3. С. 339-340.

Tretyakov P.K., Garanin A.F., Kraynev V.L., Yakovlev V.I. et al. Investigation of a local laser energy release influence on a supersonic flow by methods of aero-physical experiments // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt. 1. Novosibirsk, 1996. P. 200-203.

Третьяков П.К., Тупикин A.B., Яковлев В.И. Пространственно-временные масштабы газодинамической структуры сверхзвукового течения с импульсно-периодическим лазерным энергоподводом. Новосибирск, 1997. 23 с. (Препр. / РАН, Сиб. отд-ние. Ин-т теор. и прикл. механ.; № 9-97).

Yakovlev V.I. Flow gasdynamic structure space - time scales in aerophysical experiment with pulsating laser thermal source // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 3. Novosibirsk, 1998. P. 273-276.

Третьяков П.К., Яковлев В.И. Формирование квазистационарного сверхзвукового течения с импульсно-периодическим плазменным теплоисточником // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, вып .16. С.8-12.

Третьяков П.К., Яковлев В.И. Волновая структура в сверхзвуковом потоке с лазерным энергоподводом // ДАН. 1999. Т. 365, № 1. С. 58 - 60.

Grigor'ev P.V., Yakovlev V.I. Method of investigation of ionization relaxation in shock waves // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 1. Novosibirsk, 2000, P. 207-214.

Yakovlev V.I. Development of a method of estimation of quasistationary flow parameters in a wake of an optical pulsating discharge // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 3. Novosibirsk, 2000. P. 139-145.

Григорьев П.В., Макаров Ю.П., Яковлев В.И. Скорость лавинной ионизации аргона и криптона при числах Маха ударной волны, близких к развитию неустойчивости потока I и II типов // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, вып. 17. С. 105-110.

Yakovlev V.I. Pulsating laser plasma in a supersonic flow: experimental and analytical simulation // Proc. of the 3rd Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications / Ed. V.A. Bityurin. Moscow: IVTAN, 2001. P. 238-244.

Яковлев В.И. Динамика плазмы оптического пульсирующего разряда в сверхзвуковом потоке: эксперимент и аналитическая модель квазистационарного течения // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, вып. 9. С.13-19.

Яковлев В.И. Режимы течения с подводом энергии пульсирующего лазерного излучения в сверхзвуковой поток // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, вып. 17. С. 29-34.

Гаранин А.Ф., Третьяков П.К., Тупикин А.В., Яковлев В.И., Грачев Г.Н. Аэродинамика течений с оптическим пульсирующим разрядом. Новосибирск, 2001.22 с. (Препр. / РАН. Сиб. отд-ние. ИТПМ; № 7-2001).

Постников Б.В., Яковлев В.И. Скорость лавинной ионизации и механизмы энергетического обмена в плазме аргона за фронтом ударной волны // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28, вып. 17. С. 82-89.

Yakovlev V.I. Electron heating kinetics in argon plasma behind shock wave // Proc. of the 4th Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications / Ed. Bityurin. Moscow, IVTAN, 2002. P. 100-106.

Фомин B.M., Постников Б.В., Яковлев В.И. Эффект высокой скорости лавинной ионизации за ударной волной в одноатомном газе // Докл. РАН. 2003. Т. 391, №5. С. 623-627.

Зудов В.Н., Третьяков П.К., Тупикин А.В., Яковлев В.И. Обтекание теплового источника сверхзвуковым потоком // Известия АН. МЖГ. 2003. № 5. С. 140-153.

Фомин В.М., Яковлев В.И. Физические модели лазерного энергоподвода в газовый поток. Новосибирск, 2004. 43 с. (Препр. / РАН. Сиб. отд-ние. ИТПМ; № 2-2004).

Fomin V.M., Yakovlev V.I. Laser energy supply regimes in a gas flows // Fifteenth Intern. Conf. on MHD Energy Conversion and Sixth Intern. Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics: Proc. Vol. 3. Moscow, 2005. P. 638-639.

Коротаева T.A., Фомин B.M., Яковлев В.И. Режимы лазерного энергоподвода в газовый поток // Вестник НГУ. 2007. Т. 2, вып. 1. С. 19-35.

Яковлев В.И. Радиационная релаксация плазмы аргона за ударной волной // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, вып. 11. С. 89-94.

Ответственный за выпуск В.И Яковлев

Подписано в печать 12.01.2009 Формат бумаги 60x84/16, Усл. печ. л. 2.0, Уч.-изд. л. 2.0, Тираж 150 экз., Заказ № 2

Отпечатано на ризографе ЗАО "ДОКСЕРВИС" 630090, Новосибирск, Институтская, 4/1

ВВЕДЕНИЕ.

Часть I. Энергообмен в плазме ионизующих ударных волн

Глава 1. Ионизующие ударные волны в атомарных газах.

1.1. Устойчивые режимы течения.

1.1.1. Релаксационная зона.

1.1.2. Течение равновесной плазмы.

1.1.3. Роль излучения плазмы.

1.2. Неустойчивость ионизующих ударных волн.

1.2.1. Феноменология явления.

1.2.2. Вопросы гидродинамической устойчивости ударных волн

1.2.3. Граничные условия и структурная неустойчивость.

1.3. Рабочие параметры для экспериментальных исследований.

1.4. Выводы.

Глава 2. Методы оптической ИК-диагностики.

2.1. Развитие оптических методов в длинноволновой области спектра

2.2. Оптический ИК-комплекс для исследования ударных волн.

2.3. Разработка методических вопросов ИК-диагностики.

2.3.1. Роль неоднородности и поглощения среды в интерференционных измерениях.

2.3.2. Коэффициент ИК-поглощения слабоионизованной плазмы.

2.4. Выводы.

Глава 3. Экспериментальная установка и результаты измерений.

3.1. Ударная труба и измерительные средства.

3.2. Комплексные измерения.

3.3. Данные интерферометрии: динамика плотности электронов, атомов.

3.4. Радиационные характеристики и температура плазмы.

3.5. Выводы.

Глава 4. Энергетические потери равновесной плазмы.

4.1. Параметры плазмы в области ионизационного равновесия.

4.2. Метод и результаты экспериментального определения интегральных радиационных потерь плазмы за фронтом УВ.

4.3. Выводы.

Глава 5. Ионизация и энергообмен в неравновесной плазме одноатомных газов за фронтом ударных волн.

5.1. Метод исследования.

5.2. Экспериментальные результаты.

5.2.1. Время ионизационной релаксации.

5.2.2. Скорость лавинной ионизации за фронтом ударных волн.

5.2.3. Энергетический баланс и температура электронов.

5.2.4. Анализ экспериментальных данных в сравнении с результатами предшествующих исследований.

5.3. Выводы.

Часть II. Лазерная плазма в сверхзвуковом потоке

Глава 6. Газодинамическая структура потока в зависимости от механизмов поглощения лазерного излучения.

6.1. Основные положения.

6.2. Расчетные модели и результаты сравнительного анализа.

6.3. Выводы.

Глава 7. Пульсирующая лазерная плазма в сверхзвуковом потоке: экспериментально-расчетное моделирование.

7.1. Экспериментальная установка, методы и результаты измерений.

7.2. Условие квазистационарности.

7.3. Результаты экспериментально-расчетного моделирования.

7.4. Выводы.

Исследования ударных волн (УВ) и сверхзвуковых течений при наличии в среде локальных зон неоднородности различной природы -тепловой, колебательного возбуждения, ионизации - имеют большое значение для решения актуальной проблемы управления сверхзвуковыми течениями и аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов с использованием более эффективных современных методов. В рамках сформировавшегося в последнее десятилетие нового направления исследований - магнитоплазменной аэродинамики изучаются эффекты энергетического воздействия на поток с использованием плазменных технологий. В экспериментах применяются различные способы создания газоразрядной плазмы в широком частотном диапазоне электрического поля - от постоянного значения до оптических частот (лазерное излучение). Об этом свидетельствуют опубликованные материалы регулярно проводимых с 1997 года по настоящее время в США и России (ОИВТ РАН) серии международных конференций и рабочих совещаний по слабоионизованным газам и магнитоплазменной аэродинамике для космических приложений. Результаты исследований актуальны также в связи с отсутствием однозначных объяснений ряда фактов и явлений, наблюдаемых в аэрофизических экспериментах и при полетах в атмосфере. Формирование локальной неоднородности в атмосфере может быть вызвано действием различных природных, а также техногенных факторов, в частности, наличием сильного электромагнитного поля. Неоднородности термодинамических или физико-химических параметров среды в определенных условиях влияют на закономерности распространения ударных волн, сверхзвуковое обтекание тел. Обзоры результатов расчетных и экспериментальных исследований данного направления, полученные до конца 90-х годов прошлого столетия, представлены в публикациях [1-3].

Первые экспериментальные исследования распространения УВ и полета тел в слабоионизированной неравновесной плазме электрических разрядов различного типа проводились в ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН, НИИРП с начала 80-х годов прошлого столетия. Позднее, к середине 90-х годов были осуществлены эксперименты, в которых локальная неоднородность в сверхзвуковом потоке создавалась с помощью лазерного излучения при оптическом пробое газа. На основе анализа многих исследований оптических разрядов в газе, представленного в препринте ИТПМ, №2-2004 (В.М. Фомин, В.И. Яковлев. Физические модели лазерного энергоподвода в газовый поток) показано, что в зависимости от механизмов пробоя осуществляется различная газодинамика лазерной плазмы - от ее симметричного радиального расширения в искровом разряде до формирования высокоскоростной струи вдоль направления излучения за фронтом светодетонационной волны (СДВ). Однако до настоящего времени как в численном моделировании течений с лазерным энергоисточником, так и при анализе экспериментальных результатов учитываются не все особенности газодинамических процессов в плазме пробоя. Следовательно, в решении актуальных задач управления течениями недостаточно изучены возможности использования лазерного излучения.

Также слабо изучены специфичные плазменные механизмы и условия их эффективного воздействия на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Это показано в приложении к диссертационной работе. Уже в ранних теоретических исследованиях выявлена сложная структура ударных волн, распространяющихся в равновесной и неравновесной плазме. Характерные для ионизованной среды процессы, например, электронная теплопроводность, амбиполярная диффузия заряженных частиц, образование двойного электрического слоя формируют перед фронтом УВ предвестники (ионно-звуковой, диффузионный, теплопроводностный) с различными пространственными масштабами. Кроме того, неравновесная газоразрядная плазма вследствие нелинейных дисперсионных свойств является акустически активной средой. В определенных условиях малые возмущения параметров могут усиливаться и кардинально изменять характер поведения такой среды при относительно небольших энергетических воздействиях. Эти результаты и выводы расчетных исследований указывают на широкие потенциальные возможности плазменных технологий с целью создания новых эффективных способов управления сверхзвуковыми течениями и обтеканием тел.

С другой стороны, в настоящее время имеется недостаточно полное представление о плазменных механизмах и условиях их существенного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Отсутствуют достоверные экспериментальные доказательства проявления таких механизмов. Результаты многих экспериментов получили объяснение (в основном, методами численного моделирования) с учетом только «теплового» эффекта, вызванного неоднородной структурой газоразрядной плазмы перед фронтом УВ. В то же время в некоторых работах отмечается, что тепловой механизм преобладает при относительно невысоких энергетических параметрах разряда, а при их повышении наблюдаемые эффекты уже не могут получить объяснения на основе только тепловой модели. Однако свойственная газоразрядной плазме неоднородность структуры фактически не позволяет получить в экспериментах с использованием электрических разрядов однозначные результаты о проявлении плазменных механизмов на фоне неизбежного и значительного «теплового» эффекта. Поэтому выдвигаемые в ряде работ предположения о нетепловых механизмах, определяющих структуру УВ в слабоионизованном газе вследствие отсутствия прямых и убедительных доказательств, не являются общепризнанными. Результаты исследований более сильных ионизующих УВ, в которых газ перед фронтом ионизуется опережающим излучением, также не позволяют пока получить однозначное решение вопроса о роли плазменных механизмов в формировании структуры течения за фронтом. Об этом свидетельствует наличие многочисленных гипотез и предположений (представлены в главе 1) относительно механизмов, определяющих структурные изменения и неустойчивость ударных волн в атомарных и молекулярных газах.

Обобщение опыта и результатов многочисленных исследований плазменных механизмов формирования структуры УВ различного типа (взрывные или поддерживаемые газовым поршнем) приводит к выводу о необходимости выбора особых условий экспериментов. В таких условиях эффект «теплого» слоя, обусловленный неоднородностью среды перед фронтом УВ вблизи границ - стенок канала или электродов, не должен оказывать существенное влияние на структуру течения. В проведенных экспериментах с газоразрядной плазмой перед фронтом УВ это оказалось практически недостижимым. В экспериментах с сильными ионизующими волнами тепловой эффект является незначительным только при некоторых условиях, которые для инертных газов определены в расчетном исследовании авторов Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Пастернак В.Е., Филимонова Е.А. (Влияние опережающего излучения на структуру течения и ионизацию за фронтом ударных волн в инертных газах // Известия АН, МЖГ. 1991. № 3. С. 124-131). С использованием этих данных установлено, что оптимальные для экспериментов в аргоне условия соответствуют малоизученному диапазону параметров: числа Маха М=10-13, давление перед фронтом в пределах />=133-1330 Па (1-10 Тор). Эта область параметров мало изучена по причине того, что максимальные значения плотности электронов (порядка 1016 см-3, степень ионизации несколько процентов) за фронтом УВ являются практически недоступными для измерений с необходимой точностью широко используемыми оптическими и СВЧ-методами диагностики. Чувствительность оптической интерферометрии является недостаточной, а микроволновое излучение полностью поглощается плазмой (эффект «отсечки»). Для проведения экспериментальных исследований в указанной области параметров требуется разработка эффективных методов диагностики.

Таким образом, без новых подходов и методов исследования ионизующих УВ, сверхзвуковых течений с лазерной плазмой не может быть решен принципиальный вопрос о том, каковы специфичные плазменные механизмы и условия их заметного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Без новых экспериментальных данных нельзя получить более полное представление о взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов, создать адекватные расчетные модели и определить условия эффективного энергетического воздействия на структуру высокоскоростных течений.

Целью данной работы является экспериментально-расчетное исследование взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов за фронтом ионизующих УВ и за пульсирующим оптическим разрядом в сверхзвуковом потоке.

Основные задачи исследования состоят в том, чтобы: разработать новые подходы к исследованию и определить адекватность общепринятой модели ионизационной релаксации за фронтом ионизующих УВ реальному процессу; разработать расчетные модели импульсно-периодического лазерного энергоисточника в сверхзвуковом потоке с определением критерия квазистационарности, параметров течения за пульсирующей лазерной плазмой, образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны.

Научно-технические задачи, решаемые в рамках данной работы: создание газодинамической установки для генерирования ударных волн в атомарных газах с необходимыми параметрами - числами Маха в диапазоне М= 10-13 (для аргона) при давлении газа перед фронтом несколько Тор; разработка и создание измерительного комплекса, обеспечивающего одновременные измерения динамики плотности электронов и атомов, температуры в потоке за фронтом ионизующих ударных волн в условиях достаточно слабой (в диапазоне 0,1-1 %) степени ионизации газа; разработка подходов и методик определения газодинамических параметров, а также кинетических характеристик в потоке неравновесной плазмы за фронтом УВ с учетом влияния реальных факторов (пограничный слой на стенках канала, излучение, примеси); экспериментальные исследования оптического пульсирующего разряда в сверхзвуковом потоке с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры в его окрестности и при обтекании тел.

Экспериментальные данные получены с использованием комплексной ИК-диагностики (интерферометрия, шлирен-, абсорбционно-эмиссионные измерения), визуализации шлирен-методом волновой структуры и измерений аэродинамического сопротивления обтекаемых тел. Достоверность полученных результатов обоснована анализом и учетом методических погрешностей измерений, оценками влияния систематических факторов, использованием метода линейного регрессионного анализа многих экспериментальных данных в сравнении с результатами расчетов, а также сравнением полученных данных с аналогичными результатами ряда экспериментов, выполненных другими авторами. Представленные в различных разделах работы экспериментальные данные являются непротиворечивыми и создают целостную картину изучаемых явлений. Научная новизна выполненной работы заключается в том, что: создан ИК-комплекс и решены методические вопросы диагностики слабоионизованной равновесной и неравновесной плазмы в условиях оптической неоднородности и поглощения зондирующего излучения. Определена граница допустимых значений градиента плотности электронов, учтен вклад тормозного механизма поглощения при столкновениях электронов с атомами в общую величину коэффициента поглощения на длине волны С02-лазера, рассчитан коэффициент поглощения аргоновой плазмы в рабочем диапазоне температур 6000-20000 К и степени ионизации 0,1-1%; проведены эксперименты с ударными волнами в малоизученном диапазоне чисел Маха М = 10,5-12,7, начальном давлении 3-10 Тор, с высокоточными (до 2-3% в области максимальных значений) измерениями распределений электронной плотности в плазме аргона за фронтом; разработан новый подход к экспериментальному исследованию области лавинной ионизации за ударным фронтом, основанный на определении в рамках квазиодномерного течения газодинамических и кинетических (температура, источник электронов) параметров в неравновесной плазме с использованием результатов измерений динамики плотности электронов; установлено с учетом влияния факторов неидеальности течения, что максимальные измеренные и рассчитанные равновесные значения плотности электронов за фронтом ударных волн в аргоне высокой чистоты наиболее близки в случае учета снижения потенциала ионизации в плазме по теории Дебая - Хюккеля. Это служит ее экспериментальным доказательством; определены энергетические потери равновесной плазмы аргона в температурном диапазоне 9700-11000 К, подтвердившие применение принципа спектроскопической устойчивости для расчета интегральных радиационных потерь низкотемпературной плазмы в условиях доминирующей роли излучения в дискретном спектре; установлено, что процесс лавинной ионизации отличается от расчетного сценария с использованием общепринятой модели ионизационной релаксации более сильными локальными градиентами температуры, источника электронов. Это указывает на наличие слабых температурных возмущений среды с величиной относительного изменения несколько процентов; экспериментально установлено их значительное усиление при М<10,5-10,7; выявлено в расчетах энергетического баланса электронов, что механизм ассоциативной ионизации возбужденных атомов при повышении их концентрации приводит к качественному изменению энергетической взаимосвязи электронов с атомами; это может быть причиной усиления возмущений в релаксационной зоне; проведены эксперименты с оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом (М=2) потоке аргона с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры и измерениями аэродинамического сопротивления обтекаемых тел, позволившие определить подходы к расчетному исследованию, а также критерий квазистационарности течения; разработаны на основе результатов экспериментов и известных механизмов распространения оптических разрядов аналитические модели для определения в сверхзвуковом потоке волновой структуры и параметров квазистационарного течения в тепловом следе за пульсирующей лазерной плазмой, образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны. На основе этих моделей установлено различие параметров течения в тепловом следе, вызванное различной динамикой плазмы пробоя.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что: разработаны методы ИК-диагностики, создан лазерный ИК-комплекс, позволяющий также использовать его в экспериментальной практике многих исследований низкотемпературной плазмы; получены экспериментальные данные, позволяющие выявить реальную энергетическую взаимосвязь между подсистемами электронов и тяжелых частиц, следовательно, уточнить представления о механизмах усиления возмущений в неравновесной плазме; разработанные модели позволяют прогнозировать масштаб явления и характерные особенности эффектов энергетического воздействия лазерного излучения на структуру сверхзвукового потока и условия обтекания.

Работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме: «Изучение газодинамики течения при подводе массы, энергии вблизи обтекаемой поверхности и горение в ограниченном сверхзвуковом потоке», а также в рамках хоздоговорной деятельности с

НИИРП, МИЭФ по теме «Планета-2» и грантам РФФИ №№ 96-01-01947а, 00-01-00829а, 03-01-00902а.

На защиту выносятся:

- создание экспериментальной установки для исследования ионизующих ударных волн в требуемом диапазоне рабочих параметров;

- методы диагностики низкотемпературной плазмы на основе созданного лазерного ИК-комплекса;

- результаты разработки методических вопросов интерференционных и абсорбционных измерений в ИК-диапазоне спектра;

- разработанная методика определения газодинамических и кинетических параметров неравновесного потока за ударным фронтом, основанная на результатах измерений динамики плотности электронов и квазиодномерной (с учетом пограничного слоя) модели течения;

- экспериментальные данные о динамике и равновесных значениях плотности электронов за фронтом ионизующих ударных волнах в атомарных газах, результаты определения снижения потенциала ионизации и интегральных по спектру радиационных потерь равновесной плазмы аргона;

- результаты экспериментального исследования области лавинной ионизации аргона в ударных волнах, показывающие, что характер изменения температуры, источника электронов значительно отличается от расчетной динамики этих параметров, полученных в рамках общепринятой модели ионизационной релаксации;

- результаты экспериментальных исследований нестационарной и квазистационарной волновой структуры в сверхзвуковом (М=2) потоке аргона с оптическим пульсирующим разрядом;

- разработанные расчетные модели и критерий квазистационарности волновой структуры и параметров течения в тепловом следе за пульсирующим лазерным энергоисточником в сверхзвуковом потоке при различных механизмах распространения оптического разряда.

Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах:

XI Международном симпозиуме по основным проблемам и методам в механике (Сопот, 1973); VI Международном коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Стокгольм, 1977); Международной школе-семинаре «Лазерные методы диагностики плазмы» (Минск, 1978); I Советско-французском семинаре по физике плазмы (Москва, ИВТАН, 1978); V Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979); Всесоюзном семинаре по ударным трубам и ударным волнам (Черноголовка, 1980); Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1994, 1996, 1998, 2000); 3-й Межгосударственной научно-технической конференции по оптическим методам исследования потоков (Москва, 1995); семинаре Физико-химическая кинетика в газовой динамике (Москва, Институт Механики МГУ,, 1999), Международных конференциях по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, ИВТ РАН, 2001, 2002, 2003, 2005, 2007); и опубликованы в 36 работах, в том числе в 15 статьях в реферируемых журналах.

Диссертационная работа состоит из двух частей, включающих 7 глав, а также одного приложения. Первая часть посвящена методам и результатам исследования процессов энергообмена в равновесной и неравновесной плазме ионизующих ударных волн (пять глав), вторая часть посвящена расчетно-экспериментальному исследованию газодинамической структуры в сверхзвуковом потоке с оптическим пульсирующим разрядом. В приложении представлен обзор аэрофизических исследований в проблеме управления структурой сверхзвуковых течений и определены перспективы дальнейших исследований.

7.4. Выводы.

Проведено экспериментальное исследование газодинамической структуры сверхзвукового (М=2) потока аргона с оптическим пульсирующим разрядом при частоте следования импульсов в диапазоне 12,5-100 кГц. Визуализирована волновая структура - головная ударная волна и тепловой след за областью оптического пробоя газа, а также определены скоростные параметры течения в тепловом следе. Показано, что квазистационарная конфигурация головной ударной волны образуется в результате суперпозиции нестационарных ударных волн при каждом пробое газа, а тепловой след образуется при «слиянии» областей низкой плотности. Экспериментально доказан критерий формирования квазистационарного течения при образовании протяженной плазмы оптического пульсирующего разряда в сверхзвуковом потоке. Таким образом, результаты экспериментов позволили обосновать используемые в расчетных моделях взаимосвязи физико-газодинамических процессов, происходящих при взаимодействии импульсно-периодической лазерной плазмы (образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны) со скоростным потоком газа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты и выводы:

1. С использованием двухдиафрагменной ударной трубы с предварительным подогревом «толкающего» газа (гелий) до температуры 600 К и рабочем давлении 15 МПа создан импульсный газодинамический стенд, обеспечивающий генерирование ударных волн со скоростью распространения 3,4-4,1 км/с в атомарных газах при начальном давлении 310 Тор, равновесной температурой плазмы аргона за фронтом в диапазоне 10000-12000 К.

2. Разработан и создан измерительный ИК-комплекс для одновременной лазерной интерферометрии, абсорбционно-эмиссионных измерений, позволивший получить экспериментальные данные о динамике плотности и температуры электронов в потоке атомарных газов за фронтом ионизующих ударных волн.

3. Решены методические вопросы ИК-диагностики слабоионизованной равновесной и неравновесной плазмы в условиях оптической неоднородности и поглощения зондирующего излучения. Определена граница допустимых значений градиента плотности электронов, учтен вклад тормозного механизма поглощения при столкновениях электронов с атомами в общую величину коэффициента поглощения на длине волны СОг-лазера, рассчитан коэффициент поглощения аргоновой плазмы в рабочем диапазоне температур 6000-20000 К и степени ионизации 0,1-1%.

4. Разработан новый подход к экспериментальному исследованию области лавинной ионизации за ударным фронтом, основанный на определении в рамках квазиодномерного течения газодинамических и кинетических (температура, источник электронов) параметров в неравновесной плазме с использованием результатов измерений динамики плотности электронов.

5. Проведены эксперименты с ударными волнами в аргоне, в малоизученном диапазоне чисел Маха М = 10,5-12,7 (начальное давление 3 -10 Тор), с высокоточными (до 2-3% в области максимальных значений) измерениями динамики электронной плотности за фронтом, позволившими получить следующие результаты:

- установлено с учетом влияния факторов неидеальности течения (развитие пограничного слоя, энергетические потери, примеси), что максимальные измеренные и рассчитанные равновесные значения плотности электронов за фронтом ударных волн в аргоне высокой чистоты наиболее близки в случае учета снижения потенциала ионизации в плазме по теории Дебая-Хюккеля. Это служит ее экспериментальным доказательством;

- определены энергетические потери равновесной плазмы аргона в температурном диапазоне 9700-11000 К, показавшие возможность применения принципа спектроскопической устойчивости для расчета интегральных радиационных потерь низкотемпературной плазмы в условиях доминирующей роли излучения в дискретном спектре;

- установлено, что процесс лавинной ионизации отличается от расчетного сценария с использованием общепринятой модели ионизационной релаксации более сильными локальными градиентами температуры, источника электронов. Это указывает на наличие слабых температурных возмущений среды с величиной относительного изменения несколько процентов; экспериментально установлено, что их существенное усиление происходит при М<10,5-10,7;

- выявлено в расчетах энергетического баланса электронов, что механизм ассоциативной ионизации возбужденных атомов при повышении их концентрации приводит к качественному изменению энергетической взаимосвязи электронов с атомами; это может быть причиной усиления возмущений в релаксационной зоне.

6. Проведены эксперименты с оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом (М=2) потоке аргона с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры и измерениями аэродинамического сопротивления обтекаемых тел, позволившие определить критерий квазистационарности течения; показано, что требуемая частота следования лазерных импульсов зависит от протяженности области пробоя, скорости потока и не зависит от механизмов формирования оптического разряда при условии короткой длительности импульса излучения относительно характерного масштаба времени.

7. Разработаны на основе результатов экспериментов и известных механизмов распространения оптических разрядов аналитические модели для определения в сверхзвуковом потоке волновой структуры и параметров квазистационарного течения в тепловом следе за пульсирующей лазерной плазмой, образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны. На основе этих моделей установлено различие параметров течения в тепловом следе, вызванное различной динамикой плазмы пробоя.

Благодарности.

Автор выражает искреннюю благодарность: академику РАН Фомину В.М. за постоянное внимание, содействие в получении и обсуждение многих результатов данной работы; зав. лабораторией №2 д.т.н. Третьякову П.К. за предоставленные возможности в проведении экспериментов с оптическим пульсирующим разрядом и обсуждение полученных результатов; сотрудникам лаб. №2, 3 ИТПМ СО РАН: Крайневу B.JL, Гаранину А.Ф., Тупикину A.B., Воронцову С.С., Малову А.Н., также сотруднику ИЛФ СО РАН Грачеву Г.Н. за совместное участие, помощь в проведении экспериментов и диагностике течений с оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом потоке.

1. Левин В. А. Взаимодействие быстролетящих тел с атмосферными неоднородностями //Моделирование в механике. Новосибирск: Наука, 1993. Т. 7(24). № 2. С. 39.

2. Н.Н.Пилюгин, Р.Ф.Талипов, В.С.Хлебников. Сверхзвуковое обтекание тел потоком с газодинамическими и физико-химическими неоднородностями // ТВТ. 1997. Т. 35. № 2. С. 322-336.

3. Chernyi G.G. The Impact of Electromagnetic Energy Addition to Air Near the Flying

4. Body on Its Aerodynamic Characteristics (Russian Contribution) // II Workshop Weakly Ionized Gases. Norfolk. AIAA. 1998. P. 1-20.

5. Печек Г., Байрон С. Приближение к равновесной ионизации за ударной волной варгоне // Ударные трубы. М.: ИЛ, 1962. С. 471-507.

6. Bond J.W. Structure of a shock front in argon// Phys. Rev. 1957. V.105. P.1683-1694;

7. Plasma physics and hypersonic flight // Jet Propulsion. 1958. V. 28. N. 4. P. 228-235.

8. Harwell K.E. and Jahn R.G. Initial Ionization Rates in Shock-Heated Argon, Kryptonand Xenon // Phys. Fluids. 1964. V. 7. N. 2. P.214-222.

9. Kelly A J. Atom-Atom Ionization Cross Sections of the Noble Gases // J.Chem. Phys.1966. V. 45. N. 3. P.1723-1732.

10. McLaren T.I. and Hobson R.V. Initial Ionization rates and collisional Cross Sections in

11. Shock-Heated Argon//Phys. Fluids. 1968. V. 11. N. 10. P. 2162-2172.

12. Morgan E J. and Morrison R.D. Ionization Rates Behind Shock Waves in Argon //

13. Phys. Fluids. 1965. V. 8. N. 9. P. 1608-1625.

14. Hoffert M.I. and Lien H. Quasi-One-Dimensional Nonequilibrium Gas Dynamics of Partially Ionized Two-Temperature Argon // Phys. Fluids 1967. V. 10. N. 8. P. 17691777.

15. Merilo M. and Morgan E.J. Total Ionization Times in Shock-Heated Noble Gases // J.Chem.Phys. 1970. V. 52. N. 5. P. 2192-2198.

16. Chubb D.L. Ionization Shock Structure in Monatomic Gases // Phys. Fluids. 1968. V. 11. N. 11. P. 2363-2376.

17. Murty M.K. and Ramachandra S.M. Ionization Shock Waves in Monatomic Gases Through a Kinetic Theory Approach // Acta Astronautica. 1975. V. 2. N. 5-6. P. 367389.

18. Glass I. and Liu W.S. Effects of Hydrogen Impurities on Shock Structure and Stability in Ionizing Monatomic Gases. Part I. Argon // J.Fluid Mech. 1978. V. 84. Pt. l.P. 55-77.

19. Jones N.R. and McChesney M. Ionization relaxation in slightly impure argon // Nature. 1966. V. 209. № 5028. P. 1080-1081.

20. Козлов Г.И., Райзер Ю.П., Ройтенбург Д.И. Ионизационная релаксация за фронтом ударных волн в аргоне, содержащем примесь воздуха // ПМТФ. 1968. № 1. С. 140-145.

21. Kamimoto G. and Teshima К. Ionization Relaxation Study of Shock Heated Argon with Microwave Reflection Probe Technique. Aeron. Eng., Kyoto Univ. Current Papers. 1972. CP-32.

22. Тищенко В.А., Хандуров H.B., Чекалин Э.К. Исследование процессов ионизации за сильными ударными волнами с помощью датчика электропроводности //ЖТФ. 1974. Т. 44. В. 5. С. 1032.

23. Тищенко В.А., Чекалин Э.К. Исследование ионизационной релаксации аргона за фронтом падающих ударных волн // Письма в ЖТФ. 1975. Т. 1. В. 20. С. 913.

24. Oettinger Р.Е. and Bershader D. A Unified Treatment of the Relaxation Phenomenon in Radiating Argon Plasma Flows // AIAA J. 1967. V.5. № 9. P. 1625-1639.

25. Smith J. A. Experimentally Determined Structure of the Shock Reflection Process in Ionizing Xenon//Phys. Fluids. 1968. V. ll.N. 10. P. 2150-2161.

26. Тестов В.Г., Лобастов Ю.С., Баженова T.B. Исследование ионизационной релаксации за фронтом отраженных ударных волн в аргоне // ТВТ. 1971. Т. 9. В. 4. С. 849.

27. Биберман JI.M., Мнацаканян А.Х., Якубов И.Т. Ионизационная релаксация за ударными волнами в газах // УФН. 1970. Т. 102. В. 2. С. 431-462.

28. Enomoto Y. Wall Boundary Layer Effects on Ionizing Shock Structure in Argon // J.Phys. Soc. Jap. 1973. V. 53. № 4. P. 1228-1233.

29. Shneider K.P. and Park C. Shock Tube Study of Ionization Rates of NaCl-contaminated Argon // Phys. Fluids. 1975. V. 18. № 8. P. 969-981.

30. Баженова T.B., Гвоздева Л.Г. и др. Ударные волны в реальных газах. М.: Наука, 1968. 198 с.

31. Kasuya К., Nakai S. and Yamanaka С. Study of Ionizing Shock Waves by Millimeter Wave Techniques // Electrical Engineering in Japan. 1969. V. 89. № 4. P. 78.

32. Лобастов Ю.С., Тестов В.Г. К вопросу о микроволновом исследовании релаксационных явлений в ударнонагретой аргоновой плазме // ТВТ. 1969. Т. 7. №. 2. С. 358-359.

33. Смехов Г.Д., Лобастов Ю.С. К вопросу о начальной стадии ионизации аргона за фронтом ударной волны // ЖТФ. 1970. Т. 40. В. 8. С. 1660-1663.

34. Кузнецов Н.М. Элементарные процессы и физико-химическая релаксация в ударных волнах // Хим. физ. 1996. Т. 15. № 4. С. 115-125.

35. Wong Н. and Bershader D. Thermal equilibration behind an ionizing shock // J.Fluid Mech. 1966. V. 26. Part 3. P. 459-480.

36. Gaydon A.G. Light Emission from Shock Waves and Temperature Measurements. In "Recent Developments in Shock Tube Research' Proc. 9th Int. Shock Tube Symp. (Eds. D.Bershader, W.Griffith), Stanford Univ. Press. 1973. P. 11.

37. Weiss C.O. and Kotzan B. A Multiple-Pass Interferometer for Electron and Atom Density Measurements in Shock Tube Plasma // Appl. Phys. 1975. У. 7. P. 203-207.

38. Nishimura M., Teshima K. and Kamimoto G. Multi-Step Ionization Relaxation of Argon Behind a Shock Wave. In 'Recent Developments in Shock Tube Research' -Proc. 9th Int. Shock Tube Symp. (Eds.D.Bershader, W.Griffith), Stanford Univ. Press. 1973. P. 294.

39. Козлов Г.И., Ройтенбург Д.И., Ступицкий Е.Л. Ионизационная релаксация за фронтом ударной волны в ксеноне // ЖТФ. 1972. Т. 42. В. 9. С. 1886-1893.

40. Тумакаев Г.К, Лазовская В.Р. Использование ОКГ на органических красителях в схеме метода крюков Рождественского // ЖТФ. 1973. Т. 43. С. 2008.

41. Mclntyre T.J., Houwing A.F.P., Sandeman R.J. and Bachor H.-A. Relaxation behind shock waves in ionizing neon // J.Fluid Mech. 1991. V. 227. P. 617-640.

42. Houwing A.F.P., Mclntyre T.J., Taloni P.A. and Sandeman R.J. On the population of the metastable states behind unstable shock waves in ionizing argon. J. Fluids Mech. 1986. 170, P. 319-337.

43. Печек Г., Роуз П., Глик Г. и др. Спектроскопическое излучение аргона, сильно ионизованного в ударной волне // Ударные трубы. М.: ИЛ, 1962. С. 508-527.

44. Alpher R.A. and White D.R. Optical Refractivity of High- Temperature Gases. I.Effects Resulting from Ionization of Monatomic Gases // Phys. Fluids. 1959. V. 2. № l.P. 162.

45. Коньков А.А., Соколов А.И. Интерферометрическое исследование термической аргоновой плазмы // ТВТ. 1976. Т. 14. № 5. С. 937.

46. Ильметов А.В., Титов В.И. Экспериментальное исследование температуры среды за мощными ударными волнами в аргоне М=8-30 // ИФЖ. 1978. Т. 34. № 3. С. 477.

47. Васильева Р.В. Зондовые измерения в ударной трубе // Аэрофизические исследования сверхзвуковых течений. M.-JL: Наука, 1967. С. 113-116.

48. Rothhardt L., Mastovsky J. and Jahn G. Some experiments on ionization behind reflected shock waves in argon // Chechosl. J.Phys. 1974. V. B24. № 7. P. 757.

49. Terao K. and Yamamoto K. A Study of ionization of gases behind reflected shock waves by double probe methods, in "Shock Tube Research" Proc. 8th Int.Shock Tube Symp. (Eds. J.L.Stollery, A.G.Gaydon, P.R.Owen). London, 1971. P. 43

50. Новгородов M.A., Поляков Ю.А., Тищенко B.A., Чекалин Э.К. Исследование электронной концентрации за сильными ударными волнами // ЖТФ. 1973. Т. 43. В. 6.

51. Кочманова JI.B., Брейдо Ц.Г., Горячев B.JL, Суков Г.С. Исследование ионизации за фронтом ударной волны в аргоне // ЖТФ. 1970. Т. 40. В. 3. С. 600-604.

52. Васильева Р.В., Донской К.В., Добрынин Б.М. и др. Ионизация инертных газов за фронтом ударной волны // ЖТФ. 1970. Т. 40. В. 3. С. 605.

53. Meiners D. and Weiss С.О. Interferometrische Messung der thermischen ZustandsrgoBen von EdelgasstoBwellenplasmen // Z.Naturforsch. 1973. B28a. H. 8. P. 1294-1307.

54. Smy P.R. and Driver H.S. Electrical conductivity of low-pressure shock-ionized argon//J.FluidMech. 1963. V. 17. Pt. 2. P. 182-192.

55. Ступоченко E.B., Лосев С.А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965. 484 с.

56. Гейдон А., Герл И. Ударная труба в химической физике высоких температур. М.: Мир, 1966. 428 с.

57. Баженова Т.В., Киреев В.Т. Схемы современных ударных труб и особенности течения газа в ударных трубах // Институт механики МГУ. Научные труды. 1973. № 20. С. 6-25.

58. Mirels Н. Test Times in Low-Pressure Shock-Tubes // Phys. Fluids. 1963. V. 6. № 9. P. 1201-1214.

59. Mirels H. Flow-Nonuniformity in Shock Tubes Operating at Maximum Test Times // Phys. Fluids. 1966. V. 9. № 10. P. 1907-1912.

60. Hashiguchi S. Variation of Parameters in a Shock-Heated Argon Plasma Flow // J.Phys. Soc. Jap. 1973. V. 34. P. 806.

61. Васильева P.B., Зуев А.Д., Миршанов Д.Н. О распределении толкаемого газа в ударной трубе и структуре пробки за сильными ударными волнами // ЖТФ. 1979. Т. 49. В. 2. С. 419.

62. Васильева Р.В., Зуев А.Д., Мошков B.JI. и др. О турбулентном перемешивании толкаемого и толкающего газов в канале ударной трубы // ПМТФ. 1985. № 2. С. 128-133.

63. Тумакаев Г.К, Лазовская В.Р. Интерферометрическое исследование состояния ксенона и паров ртути в ударной трубе // Аэрофизические исследования сверхзвуковых течений. М.-Л.: Наука. 1967. С. 74-104.

64. Pomerantz J. The influence of the absorption of radiation in shock tube phenomena // JQSRT. 1961. V.l. P. 185-248.

65. Севастьяненко Г.В., Якубов И.Т. Радиационное охлаждение газа, нагретого сильной ударной волной // Опт. и спектр. 1964. Т. 16. № 1. С. 3-10.

66. Севастьяненко Г.В., Якубов И.Т. Охлаждение газа за ударными волнами, вызванное выходом излучения // Опт. и спектр. 1965. Т. 19. № 4. С. 515-518.

67. Якубов И.Т. Энергия, излучаемая аргоновой плазмой в спектральных линиях // Опт. и спектр. 1965. Т. 19. №. 4. С. 497.

68. Horn К.Р., Wong Н. and Bershader. Radiative behaviour of a shock-heated argon plasma flow // J.Plasma Phys. 1967. V.l. Pt.2. P. 157-170.

69. Козлов Г.И., Ройтенбург Д.И. Излучательная способность и радиационное охлаждение ксенона, нагретого ударной волной//Опт. и спектр. 1974. Т. 36. №5.

70. Булышев А.Е., Преображенский Н.Г., Суворов А.Е., Яковлев В.И. К вопросу о плотности электронов перед фронтом ударной волны в аргоне // ЖТФ. 1977. Т. 47. С. 1991-1992.

71. Васильев М.Г., Жихарева Т.В., Тумакаев Г.К. Теоретическое исследование кинетики элементарных процессов в ксеноне перед ударной волной // ЖТФ. 1979. Т. 49. В. 3. С. 541-553.

72. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Пастернак В.Е., Филимонова Е.А. Влияние опережающего излучения на структуру течения и ионизацию за фронтом ударных волн в инертных газах // Известия АН, МЖГ. 1991. № 3. С. 124-131.

73. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Пастернак В.Е., Филимонова Е.А. Влияние тонких прогревных слоев на структуру сильных ударных волн в инертных газах//ХФ. 1993. Т. 12. № З.С. 377-379.

74. Хилтон У.Ф. Аэродинамика больших скоростей. М.: Изд. ИЛ., 1955. 504 с.

75. Тумакаев Г.К. Кинетический фазовый переход в молекулярных газах и его влияние на формирование течения за отошедшей ударной волной // ЖТФ. 1982. Т.52. В.4. С.690-694.

76. Tumakaev G.K., Lazovskaya V.R. On some Features of xenon Ionization in the Flow behind the Shock Wave // 8th Int. Conf. on Phen. in Ionized Gases. Vienna. 1967. P. 464-468.

77. Bristow M.P.F., Glass I.I. Polarizability of singly Ionized Argon // Phys. Fluids. 1972. V. 15. № 11. P. 2066-2067.

78. Glass I.I., Liu W.S., Tang F.C. Effects of hydrogen impurities on shock structure and stability in ionizing monatomic gases: 2. Krypton // Can. J. Phys. 1977. V. 55. P. 1269-1279.

79. Griffiths R.W., Sandeman R.J., Hornung H.G. The stability of shock waves in ionizing and dissociating gases // J. Phys. D: Appl. Phys. 1976. V. 9. P. 1681-1691.

80. Рязин А.П. Ионизационная неустойчивость ударной волны в ксеноне // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. В. 9. С. 516-520.

81. Суфиан Аслам, Рязин А.П. Экспериментальное изучение структуры сильных ударных волн в аргоне // Вестник МГУ. Серия 3. 1984. Т. 25. № 1. С. 94-96.

82. Тумакаев Г.К., Масленников В.Г., Серова В.Е. О неустойчивости течения за ударными волнами большой интенсивности в одноатомных газах // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. В. 6. С. 354-358.

83. Тумакаев Г.К. О природе неустойчивости течения одноатомных газов за ударными волнами большой интенсивности // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. В. 20. С. 1239-1244.

84. Мишин Г.И., Бедин А.П., Юшенкова Н.И. и др. Аномальная релаксация и неустойчивость ударных волн в газах // ЖТФ. 1981. Т. 51. В. 11. С. 2315-2324.

85. Барышников A.C., Скворцов Г.Е. Неустойчивость ударных волн в релаксирующей среде // ЖТФ. 1979. Т. 49. № 22. С. 2483-2485.

86. Бедин А.П., Мишин Г.И., Скворцов Г.Е. Аномальная релаксация при сверхзвуковом течении многоатомных газов // Письма в ЖТФ. 1981. Т. 7. В. 10. С. 613-618.

87. Барышников A.C., Бедин А.П., Масленников В.Г., Мишин Г.И. О неустойчивости фронта головной ударной волны // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. В. 5. С. 281-284.

88. Тумакаев Г.К. Систематизация аномальных явлений в ударно-нагретых одноатомных газах // Высокотемпературная газодинамика, ударные трубы и ударные волны. Под ред. Р.И.Солоухина. Минск, 1983. С. 154-160.

89. Григорьев П.В. Экспериментальное исследование I и II типов неустойчивости ударно нагретой плазмы одноатомных газов: диссертация канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 1992. 198 с.

90. Тумакаев Г.К., Степанова З.А. О пороговом характере подавления флукгуаций излучения ударно-нагретой плазмы одноатомных газов (М-9-11) // ЖТФ. 1982. Т. 52. № 11. С. 2305-2307.

91. Тумакаев Г.К., Степанова ЗА. О периодическом характере флуктуации излучения неравновесной плазмы ксенона за ударными волнами // ЖТФ. 1989. Т. 59. В. 6. С. 194-196.

92. Тумакаев Г.К., Степанова З.А. Осцилляция интенсивности излучения ударно-нагретой плазмы ксенона // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. В. 2. С. 15-22.

93. Григорьев В.Г., Мишин Г.И., Юшенкова Н.И., Рощин О.В. Распределение параметров за фронтом сильной ударной волны в инертных газах и неустойчивость, связанная с аномальной релаксацией // Письма в ЖТФ. 1986. Т. 12. В. 4. С. 224-231.

94. Кузнецов Н.М. Устойчивость структуры ударных и детонационных волн // ХФ. 1993. Т. 12. № 3. С. 291-298; а также //УФН. 1989. Т. 159. В. 3. С. 493-527.

95. Дьяков С.П. Об устойчивости ударных волн // ЖЭТФ. 1954. Т. 27. В. 3(9). С. 288-295.

96. Конторович В.М. К вопросу об устойчивости ударных волн // ЖЭТФ. 1957. Т. 33. С. 1525-1526.

97. Иорданский C.B. Об устойчивости плоской стационарной волны // ПММ. 1957. Т. 21. С. 465-472.

98. Блохин А.М., Трахинин Ю.Л. Устойчивость сильных разрывов в магнитной гидродинамике и электрогидродинамике. Москва-Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2004. 324 с.

99. Ни A.JL, Сугак С.Г., Фортов В.Е. Квазиодномерный анализ и численное моделирование устойчивости стационарных ударных волн в средах с произвольным уравнением состояния // ТВТ. 1986. Т. 24. № 3. С. 564-569.

100. Тешуков В.М. Об условиях устойчивости ударных волн // Динамика жидкости со свободными границами (Динамика сплошной среды). Сб. науч. трудов . 1986. В. 76. С.134-147.

101. Федосов В.П. О наличии областей неустойчивости течений с ударными волнами в совершенном газе. Часть 1. Препринт № 21-85. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР. 1985. 37 с.

102. Алиева И.А., Андреев Е.А. Об устойчивости ударных волн в инертных газах // ЖТФ. 1987. Т. 57. В. 6. С. 1172-1174.

103. Савров С.Д. О роли испарения стенок канала в исследованиях ионизационной релаксации ударно-нагретых инертных газов // ТВТ. 1988. Т. 26. № 4. С. 798-802.

104. Савров С.Д. О механизме деформации излучающего фронта ударной волны при ее движении в канале // ПМТФ. 1989. Т. 26. № 5. С. 30-33.

105. Башкиров А.Г. Поверхностные свойства и устойчивость ударных волн в газах //ПММ. 1986. Т. 50. В. 5. С. 748-757.

106. Барышников A.C., Васильев Н.Ю., Сафонов А.Б. Перестройка структуры течения за ионизирующей ударной волной // ХФ. 1989. Т. 8. № 5. С. 624-627.

107. Егорушкин С.А., Успенский B.C. Влияние опережающего излучения на устойчивость сильных ударных волн в газах с произвольным уравнением состояния // Изв. АН СССР.МЖГ. 1990.№ 3. С. 125-133.

108. Егорушкин С.А., Пекуровский M.JL, Успенский B.C. Неустойчивость сильных ударных волн в одноатомных газах // ДАН СССР. 1990. Т. 313. № 1. С. 39-41.

109. Егорушкин С.А., Успенский B.C. О свойствах сильных ударных волн в одноатомных газах // ХФ. 1992. Т. 11. № 4. С. 1013-1020.

110. Егорушкин С.А. Нелинейная неустойчивость спонтанно излучающей ударной волны // Изв. АН СССР. МЖГ. 1984. № 3. С. 110-118.

111. Кузнецов Н.М., Алиева И.А. К устойчивости движения ударной волны в каналах // Хим. физ. 1988. Т. 7. № 3. С. 377-381.

112. Горбацкий В.Г. Космическая газодинамика. М.: Наука, 1977. 360 с.

113. Чайкина Ю.А. Расчет чисел Маха, отвечающих устойчивым режимам распространения сильных ударных волн // ХФ. 2001. Т. 20. № 4. С. 57-65.

114. Черный Г.Г. Возникновение колебаний при ослаблении волн детонации // ПММ. 1969. Т. 33. № 2. С.465-475.

115. Левин В.А., Соломаха Б.П., Чикова С.П. Об устойчивости плоской детонационной волны // Научн. Тр. Ин-та механики МГУ. 1974. № 32. С.44-59.

116. Mond M. and Rutkevich I.M. Spontaneous acoustic emission from strong ionizing shocks // J. Fluid Mech. 1994. У. 275. P. 121-146.

117. Mond M. and Rutkevich I. and Toffin E. Stability of ionizing shock waves in monatomic gases // Phys. Rev. E. 1997. V. 56. № 5. P. 5968-5978.

118. Диагностика плазмы / Под ред. Г. Хаддлстоуна и С. Леонарда. М.: Мир, 1967, С. 364-365.

119. Методы исследования плазмы / Под ред. В.Лохте-Хольтгревена. М.: Мир, 1971,407 с.

120. Подгорный И.М. Лекции по диагностике плазмы. М.: Атомиздат, 1968. 129 с.

121. Душин Л.А. СВЧ-интерферометры для измерения плотности плазмы в импульсном газовом разряде. М.: Атомиздат, 1973. 128 с.

122. Солоухин Р.И., Якоби Ю.А., Яковлев В.И. Инфракрасная интерферометрия. В кн.: Методы инфракрасной диагностики / Под ред. Солоухина Р.И. Минск: ИТМО, 1982. С. 3-31.

123. Душин JI.A., Павличенко О.С. Исследование плазмы с помощью лазеров. М.: Атомиздат, 1968.

124. Пятницкий Л.И. Лазерная диагностика плазмы. М.: Атомиздат, 1976.424 с.

125. Зайдель А.Н., Островская Г.В. Лазерные методы исследования плазмы. Л.: Наука, 1977.

126. Turner R. and Poehler Т.О. Far-Infrared Interferometry for Electron Density Measurements // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. № 12. P. 5726.

127. Miyoshi S., Shiobara S. and Shimizu T. Application of Carbon Dioxide Laser Interferometer to Measurement of Plasma Electron Density // Jap. J. Appl. Phys. 1969. V. 8.N.3.P. 383.

128. Колеров A.H., Петров Г.Д. Диагностика плазмы в дальнем инфракрасном (субмиллиметровом) диапазоне длин волн интерферометром Маха-Цандера // Опт. и спектр. 1974, Т. 36, С. 604.

129. Кутовой В.Д., Петров Г.Д., Самарский П.А., Трегубое С.И. Субмиллиметровая интерферометрия плазмы на двух длинах волн // ФП. 1975. Т. 1. № 5. С. 857.

130. Holzhauer Е. Infrared plasma diagnostics with lasers // Infrared Physics. 1976. V. 16. N. 1/2. P. 135.

131. Chariot A., Corno J. and Simon J. New 10 jim infrared interferometer and its applications //Appl. Optics. 1975. V. 14. N. 4.

132. Glasser J., Viladrosa R. and Chappelle J. Diagnostic of dense plasma by infrared schlieren and absorption techniques // J. Phys, D: Appl. Phys. 1978. V. 11. P. 1703.

133. Генералов НА., Зимаков В.П., Козлов Г.И. Метод инфракрасной диагностики плазмы и его использование для исследования ионизации и рекомбинации ксенона за фронтом ударной волны // ЖЭТФ. 1970. Т. 58. В. 6. С. 1927.

134. Billman K.W., Rowleg P.D. and Presley L. Absorption of laser radiation in a H-He plasma. II. Experimental measurements of the absorption coefficient // Phys. Fluids. 1974. V. 17. P. 759.

135. Солоухин Р.И., Якоби Ю.А. Распределение концентрации электронов и волновые процессы в импульсном разряде // ПМТФ. 1971. № 2. С. 15.

136. Schreiber P.W., Hunter A.M. and Smith D.R. The determination of plasma electron density from refraction measurements // Plasma Phys. 1973. V. 15. P. 635.

137. Cheng Т.К. and Lee W.Casperson. Plasma diagnostic by laser beam scanning // J.Appl. Phys. 1975. V. 46. P. 1961.

138. Kunz W. and Dodel G. A far infrared schlieren experiment perfomed on a carbon ars // Phys. Lett. 1976. V. 57. P. 137.

139. Nunter A.M. and Schreiber P.M. Determination of refrective index in inhomogeneous axisymmetric media from refraction angle measurements // Appl. Optics. 1975. V. 14. N. 1.

140. Molen G.M., Kristiansen M. and Hagler M.O. C02 laser beam refraction in a linear discharge plasma // Appl. Phys. Lett. 1973. V. 23. N. 11. P. 601.

141. Brown R., Deuchars W.H., Illingworth R. and Irving J. 10,6 m interferometry and Faraday rotation measurements on a thetapinch plasma // J.Phys.D: Appl. Phys. 1977. V. 10. P. 1575.

142. Dodel G. and Kunz W. Diffraction limitations for plasma electron density measurements with schlieren methods // Appl. Optics. 1975. V. 14. N. 10. P. 2537.

143. Soloukhin R.I. and Yacobi Yu.A. Hydrogen plasma sbsorption coefficients at laser frequencies//JQSRT. 1972. V. 12. P. 25.

144. Stallcop J.R. Absorption coefficients of a hydrogen plasma for laser radiation // J.PlasmaPhys. 1974. V. 11. Pt. 1. P. 111.

145. Wheeler C.B. and Fielding S.J. Absorption of infra-red radiation as a general technique for the determination of plasma temperature // Plasma Phys. 1970. V. 12. P. 551.

146. Бураков B.C., Ставров А.А. Метод определения параметров плазмы по ее поглощательной способности // ФП. 1977. Т. 3. В. 5. С. 1135.

147. Солоухин Р.И., Якоби Ю.А. Методы инфракрасной диагностики плазмы // ТВТ. 1972. Т. 10. Jte 6. С. 1307-1314.

148. Солоухин Р.И., Якоби Ю.А., Яковлев В.И. Исследование ионизующих ударных волн методами инфракрасной диагностики // Газодинамика и физическая кинетика. Новосибирск: ИТПМ СО АН, 1974. С.158-160.

149. Beach K.W., Muller R.H. and Tobias C.M. Light-deflection effects in the interferometry of one-dimensional refrective-index fields // J. Opt. Soc. Am. 1973. V. 63. N. 5. P. 559.

150. Якоби Ю.А., Яковлев В.И. Роль неоднородности и поглощения среды в интерференционных измерениях // Вопросы газодинамики. Новосибирск: ИТПМ СО АН, 1975. С. 257-260.

151. Хауф В., Григуль Г. Оптические методы в теплопередаче. М., 1973.

152. Kanl G.D. and Mylin D.C. Refractive Deviation Errors of Interferograms // J. Opt. Soc. Am. 1965. V. 55. N. 4. P. 364.

153. Биберман JI.M., Норман Г.Э. Непрерывные спектры атомарных газов и плазмы //УФН. 1967. Т. 91. В. 2. С. 193-246.

154. Батенин В.М., Минаев П.В. Об особенностях поведения электропроводности и излучения плотной низкотемпературной плазмы // ТВТ. 1971. Т. 9. № 4. С. 676.

155. Ковальская Г.А., Севастьяненко В.Г. Влияние статистических микрополей в плазме на фотоионизацию атома водорода // Газодинамика и физическая кинетика. Новосибирск: ИТПМ СО АН, 1974. С. 7-10.

156. Фирсов О.Б., Чибисов М.И. Тормозное излучение медленных электронов на нейтральных атомах // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. В. 6 (12). С. 1770-1776.

157. Stallcop J.R. Absorption of infrared radiation by electrons in the field of neutral hydrogen atom // Astrophys. J. 1974. V. 187. P. 179.

158. Frost L.S. and Phelps A.V. Momentum-Transfer Cross Sections for Slow Electrons in He, Ar, Kr and Xe from Transport Coefficients // Phys. Rev. 1964. V. 136. P. A1538.

159. Яковлев В.И. Поглощение инфракрасного излучения, обусловленное торможением электронов на атомах аргона // Методы исследования радиационных свойств среды. Новосибирск: ИТПМ, 1977. С. 4-5.

160. Stallcop J.R. and Billman K.W. Analytical formulae for the inverse bremsstrahlung absorption coefficient//Plasma Physics. 1974. V. 16. N. 12. P. 1187.

161. Griem H.R. High-Density Corrections in Plasma Spectroscopy // Phys. Rev. 1962. V. 128. N. 3. P. 997.

162. Батенин B.M., Минаев П.В. Непрерывное излучение низкотемпературной плазмы аргона // ТВТ. 1969. Т. 7. № 4. С. 604.

163. Вагин С.П., Кацнельсон С.С., Яковлев В.И. Расчет радиационных характеристик аргоновой плазмы // Методы исследования радиационных свойств среды. Новосибирск: ИТПМ СО АН, 1977. С. 30-180.

164. Хеншелл Б. Использование многодиафрагменной схемы в ударной трубе // Ударные трубы. М.: ИЛ, 1962. С. 190-217.

165. McClenahan О. Optimal Use of Double Pin Ionization Gauges for Shock Wave Detection//Rev. Sei. Instr. 1973. V. 44. N. 2. P. 212.

166. Meiners D. and Weiss C.O. Interferometrische Messung der thermischen ZustandsrgoBen von EdelgasstoBwellenplasmen // Z. Naturforsch. 1973. В. 28a. H. 8. S. 1294-1307.

167. Knoos S. Boundary- Layer structure in a Shock-Generated plasma flow. Part I, II // J. Plasma Phys. 1968. V. 2. N. 2. P. 207-255.

168. Soloukhin R.I., Yacobi Yu. A., Yacovlev V.l. Studying ionizing shock waves by IR-diagnostic technique// Archives of Mechanics. 1974. V. 26. N. 4. P. 637-646.

169. Лосев С.А. О свертке информации, получаемой в экспериментах на ударных трубах // Институт механики МГУ, Научные труды № 21. М., 1973. Часть II. С.З.

170. Яковлев В.И. Радиационная релаксация плазмы аргона за ударной волной // Письма в ЖТФ. 2006. Т.32. В.11. С.89-94.

171. Р.И.Солоухин, Ю.А.Якоби, В.И. Яковлев. Исследование равновесной зоны за фронтом ионизующей ударной волны// Физика горения и взрыва. 1977. №3. С.481-483.

172. Козлов Г.И., Кузнецов В.А., Масюков В.А. Лучистые потери аргоновой плазмы и излучательная модель непрерывного оптического разряда // ЖЭТФ. 1974. Т. 66. В. 3. С. 954-964.

173. Ehrich H. and Kusch H.J. Die Erniedrigung der Ionization-senergie des CII-Ions in einem Hochdruckplasma//Z.Naturforsch. 1974. В. 29a. P. 810.

174. Вагин С.П., Кацнельсон C.C., Яковлев В.И. Расчет радиационных характеристик аргоновой плазмы // Методы исследования радиационных свойств среды: Сб. науч. тр. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИТПМ. Новосибирск, 1977. С. 30-180.

175. Vaguin S.P., Yacobi Yu.A., Yacovlev V.l., Soloukhin R.I. Experiments on radiative cooling of a shock-heated gas // Rev. Phys. Appliquée. 1978. V. 13. P. 399-403.

176. Митчнер M., Кругер Ч. частично ионизованные газы. М.: Мир, 1976. 496 с.

177. Биберман Л.М., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 375 с.

178. Физико-химические процессы в газовой динамике. Том 1 // под ред. Черного Г.Г. и Лосева С.А. М.: Изд. Моск. ун-та, 1995. 350 с.

179. Grigor'ev P.V., Yakovlev V.I. Method of investigation of ionization relaxation in shock waves // Int. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 1. Novosibirsk-Tomsk, Russia 9-16 July, 2000. P. 207-214.

180. Yakovlev V.I. Electron heating kinetics in argon plasma behind shock wave. Proceedings of the 4~ Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications. Ed. by Bityurin, Moscow, IVTAN 2002. N.16. P. 100-106.

181. Григорьев П.В., Макаров Ю.П., Яковлев В.И. Скорость лавинной ионизации аргона и криптона при числах Маха ударной волны, близких к развитию неустойчивости потока I и II типов // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. В. 17. С. 105110.

182. Постников Б.В., Яковлев В.И. Скорость лавинной ионизации и механизмы энергетического обмена в плазме аргона за фронтом ударной волны // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. В. 17. С. 82-89.

183. В.М. Фомин, Б.В. Постников, В.И. Яковлев. Эффект высокой скорости лавинной ионизации за ударной волной в одноатомном газе // Докл. РАН. 2003 Т.391. №5. С. 623-627.

184. Тумакаев Г.К., Степанова ЗА. Григорьев П.В. Экспериментальное исследование 2-го типа неустойчивости ударно нагретой плазмы ксенона в ударной трубе // ЖТФ. 1992. Т. 62. В. 1. С. 76-82.

185. Тумакаев Г.К., Степанова З.А., Григорьев П.В. Интерферометрическое исследование ударно нагретой плазмы ксенона в режиме развития в ней 2-го типа неустойчивости // ЖТФ. 1994. Т. 64. В. 4. С. 46-50.

186. Тумакаев Г.К. Кинетика возбуждения и ионизации одноатомного газа в ударной волне. Автореф. канд. физ.-мат. наук. Л., 1971. 21с.

187. В.М. Фомин, В.И. Яковлев. Физические модели лазерного энергоподвода в газовый поток. 2004. 43с - (Препринт/РАН. Сиб. отделение. ИТПМ, №22004).

188. Myrabo L.N., Raizer Yu.P. Laser induced air-spike for advanced transatmospheric vehicles // AIAA Paper N 94-2451. 1994. P. 1-13.

189. Thomas P.D. Jet flowfield behind a laser supported detonation wave // AIAA J. 1977. Vol. 15, N.10. P. 1405-1409.

190. Коробейников В.П., Чушкин П.И., Шароватова K.B. Газодинамические функции точечного взрыва. М.: ВЦ АН СССР, 1969. 47 с.

191. Коробейников В.П. Задачи теории точечного взрыва. М.: Наука, 1985. 400 с.

192. Т. A. Korotaeva, V.I. Yakovlev. Development of the analytical approach to the study of gas flows with energy supply. The 5th International Workshop on magneto- and plasma aerodynamics for aerospace applications. Moscow, 2003. P.385-392.

193. Райзер Ю.П. Нагревание газа под действием мощного светового импульса // ЖЭТФ. 1965. Т. 48, В. 5. С. 1508-1519.

194. Т.А. Коротаева, В. М. Фомин, В. И. Яковлев. Режимы лазерного энергоподвода в газовый поток // Вестник НГУ. 2007. Т.2. В.1. С. 19-35.

195. П.К.Третьяков, А.Ф.Гаранин, В.Л.Крайнев, В.И. Яковлев. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического пульсирующего разряда // Доклады РАН. 1996. Т.351. №3. С.339-340.

196. Третьяков П.К., Яковлев В.И. Формирование квазистационарного сверхзвукового течения с импульсно-периодическим плазменным теплоисточником // Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. В.16. С.8-12.

197. Третьяков П.К., Яковлев В.И. Волновая структура в сверхзвуковом потоке с лазерным энергоподводом // Доклады РАН. 1999. Т. 365. № 1. С. 58-60.

198. Яковлев В.И. Динамика плазмы оптического пульсирующего разряда в сверхзвуковом потоке: эксперимент и аналитическая модель квазистационарного течения // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. В.9. С.13-19.

199. Яковлев В.И. Режимы течения с подводом энергии пульсирующего лазерного излучения в сверхзвуковой поток // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. В.17. С. 29-34.264