Высокоэнтальпийные сверхзвуковые струи низкой плотности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

РГ6 од

П ' ' • " •'

Кузнецов Лев Ильич

ВЫСОКОЭНТАЛЫтаИНЬЕЕ СВЕРХЗВУКОВЫЕ СТРУИ НИЗКОЙ плотности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

На правах рукописи УДК 533.6.011+535.211

Новосибирск-!995

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Бетеров Игорь Мендэлевич

доктор технических наук, профессор

Лукьянов Герман Александрович

доктор физико-математических наук, профессор

Чэкмарев Сергей Федорович

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного института высоких температур РАН

Защита состоится юаня 1995 г. в .¿¿"час. на заседании

диссертационного совета Д 002.65.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул.Академика Кутателадзе,2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН-

Автореферат разослан * " -апреля-1995 г

9<

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

Р.Г.Шарафутдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

/ Практический интерес к сверхзвуковым течениям газов низкой ^плотности возник в конце 40-х годов в связи с необходимостью решения конкретных задач авиационной и ракетно-космической техники. С развитием плазменной техники исследования сверхзвуковых стационарных течений быстро расширились в высокоэнталышйную область и позволили получать высокие скорости и лучше моделировать различные задачи, характерные для ракетно-космической тематики. Кроме использования в экспериментальной физике и космической технике, плазменные сверхзвуковые струи низкой плотности в настоящее время нашли широкое применение в плазмохимии, металлургии, машиностроительных технологиях и приборостроении.

Процессы переноса энергии и вещества в высокоэнтальпийных сверхзвуковых струях низкой плотности протекают, как правило, в неравновесных условиях при существенном влиянии локальных актов молекулярного взаимодействия. Встречающиеся на практике диапазоны вариации определяющих параметров таких течений весьма широки и отличаются на многие порядки величин, что приводит к изменению рекимов течения от свободно-молекулярного до сплошного, включая турбулентные. На современном уровне лабораторного моделирования этих процессов технические возможности ещё существенно отстают от практических потребностей.

Проведенные к настоящему времени экспериментальные и теоретические исследования и обобщения неизобарических сверхзвуковых струй низкой плотности с температурой торможения близкой к комнатной позволяют представить картину таких течений и распределение параметров в струе реального газа. Исследования же высокоэнтальпийных, особенно импульсных сверхзвуковых течений низкой плотности, практически отсутствуют.

Сложность и многообразие процессов, сопровождающих сверхзвуковое истечение газа и низкотемпературной плазмы в среду с малым абсолютным давлением обуславливают необходимость всесторонних экспериментальных исследований этих течений.

Широкий круг практических и физических приложений высокоэнтальпийных струй низкой плотности делает актуальный исследование термогазоданамики таких течений. Постановка и проведение исследований в этой области, отвечающих задачам сегодняшнего дня и на перспективу, требует создания новой экспериментальной базы, включающей создание вакуумных газодинамических установок большой производительности с различными высокоэнтальшйными газодинамически-

ми источниками, в том числе с испарением рабочего тела мощным лазерным излучением (Ж), и новейшими физическими средствами диагностики.

Цель диссертационной работы

Получение основных характеристик и энергобаланса нового импульсного газодинамического источника с лазерным испарением рабочего тела, исследование влияния температурного фактора на газодинамическую структуру высокоэнталышйных сверхзвуковых струй в режиме течения от сплошного до рассеяния и эффектов неустойчивости при импульсных течениях таких струй.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить сле-дувдие задачи:

1. Создать экспериментальную базу для исследования стационарных и импульсных высокоэнталышйных струйных течений низкой плотности, включающее:

а) вакуумные газодинамические установоки большой производительности на уровне давлений ниже I;

б) высокоэнталышйные газодинамические источники с параметрами торможения Т0 < Ю4 К, р0 < Ю7 Па, работающе в стационарном и импульсном режимах;

в) ноше метода электронно-пучковой локальной диагностики стационарных и импульсных потоков газа низкой плотности, включая плазменные;

г) методы измерения тепломеханических и оптических параметров импульсного газодинамического источника с лазерным нагревом.

2. Установить общие закономерности и влияние температурного фактора на газодинамическую структуру высокоэнталышйных свободных струй низкой плотности.

3. Получить данные по импульсу отдачи, выбросу массы эрозионного факела, отводу тепла вглубь облучаемого тела, ослаблению излучения в факеле и отражению от поверхности, облучаемой импульсным лазером, с целью проанализировать энергобаланс такого импульсного газодинамического источника.

4. Установить на основе экспериментальных, исследований и численного моделирования механизмы возникновения пульсаций давления на облучаемой лазером поверхности в режиме интенсивного испарения и другие эффекты нестационарности импульсных течений.

Научная новизна:

I. Созданы крупномасштабные вакуумные газодинамические установки

для исследования стационарных и импульсных высокоэнтальпийных сверхзвуковых, струй с характерными размерами ядра струи до I м.

2. Разработаны ноше электронно-пучковые методы измерения локальной плотности разреженного газа и плазмы:

а) По характеристическому рентгеновскому излучению, возбужденному электронным пучком в стационарных струях и позволяющий определять парциальные плотности в многокомпонентных газовых смесях и вблизи поверхности обтекаемого тела.

б) В импульсных струях по рентгеновскому излучению с временным разрешением 10 мкс.

Эти методы овладеют по сравнению с традиционными электронно-

пучковыми методами более высоким пространственным разрешением,

свободны от влияния температуры и ионизации газа на результаты

измерения и позволяют измерять плотность в потоках газа, плазА то тс _о

мы и смесей в диапазоне концентраций от 10 до 10 см .

3. Созданы новые методы измерения экранирующих свойств импульсных эрозионных факелов и реактивного импульса отдачи факела. Развиты метода калориметрироваиия, измерения давления и вектора импульса отдачи при импульсном лазерном облучении твердой поверхности.

4. Исследовано влияние температурного фактора на структуру начального участка струй аргона за звуковым соплом в режимах течения от сплошного до рассеяния (Rex = 1000 - 3) и впервые установлены границы автомодельности течения в ядре струи по нерас-четности при вариации температуры тормокения от 290 до 5000 К.

5. Впервые исследованы экранирующие свойства импульсных эрозионных факелов и их влияние на другие параметры.

6. Проведены комплексные измерения реактивного импульса отдачи, прироста энтальпии, выброса продуктов эрозии (испарения) и отражательных свойств облучаемой лазерным импульсом твердой поверхности в диапазоне интенсивностей I05 - I07 Вт/см2 и давлений окружающего газа Ю-2 - IQ5 Па. На основе этих исследований и результатов измерений экранирующих свойств факела впервые получен энергобаланс взаимодействия лазерного излучения с твердой поверхностью в режиме интенсивного испарения.

7. На основе экспериментальных исследований и численного модели^ рования впервые показаны газодинамическая природа возникновения пульсаций давления на облучаемой лазером поверхности и характер этих пульсаций в зависимости от геометрии облучения, физических свойств материала мишени и окружающего газа.

8. Впервые исследована локальным (электронно-рентгеновским) методом газодинамическая структура в ядре импульсного эрозионного

факела и околофакельном пространстве.

9. Предложен лазерно-реактивный метод для удаления космического мусора и защиты орбитальных объектов от него.

Научная и практическая ценность:

1. Разработанные вакуумные газодинамические установки и их узлы используются яри создании аналогичных исследовательских комплексов, а также установок для вакуумных технологий.

2. Реализованные методы диагностики - электронно-рентгеновские, пьэзодатчиковые, световодные, калориметрические и др. расширяют возможности исследований на вакуумных газодинамических установках и применяются в ряде организаций. Они также могут быть полезны для контроля технологических процессов.

3. Полученные в широкой области параметров новые экспериментальные данные по газодинамике высокознтальшйных сверхзвуковых струйных течений применяются для построения и уточнения теоретических моделей таких процессов.

4. Детально исследованные тепломеханические и оптические параметры взаимодействия Ж с материалами используются для оценок стойкости конструкционных материалов к экстремальным радиационным нагрузкам.

б. Разработанная газодинамическая модель образования пульсаций давления на облучаемой мишени может быть использована при построении общего теоретического описания процесса взаимодействия ЛИ с твердой поверхностью и импульсных течений газов, оптимизации работы лазерных и других импульсных двигателей и различных лазерных технологий.

6. Полученные оценки для лазерно-реактивного метода удаления космического "мусора" могут быть приняты за основу для разработки корабля - "чистильщика" и активного способа защиты орбитальных станций.

Разработанные метода и результаты используются другими авторами в своих исследованиях как в нашей стране, так и за рубежом.

Часть результатов использована для решения ряда важных научно-

технических проблем в области новой техники (ЦШШСМ, НПО "Искра",

КБМ им. Макеева).

На защиту выносятся:

1. Создание крупномасштабных вакуумных газодинамических установок с непрерывным и импульсным режимами работы.

2. Развитие и создание новых физических методов диагностики:

а) электронно-рентгеновских, для измерений локальной плотности разреженного газа и плазмы;

б) тепломеханических., оптических и газодинамических параметров быстропротекавдих процессов при взаимодействии импульсного ЛИ с твердой поверхностью.

3. Результаты экспериментальных исследований и обобщений высоко-энталытайных сверхзвковых струйных течений в режимах от разреженного до сплошного.

4. Результаты комплексных исследований тепломеханических и оптических параметров взаимодействия импульсного Ш с материалами и их обобщение в виде построения энергобаланса этого процесса.

5. Результаты исследований пульсаций давления на облучаемой лазером мишени, экспериментальное и расчетное обоснование газодинамической природа возникновения этих пульсаций.

6. Обоснование возможности применения лазерного излучения для реактивного способа удаления и защиты орбитальных станций от малоразмерного космического мусора.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на III, IV, VI, XI Всес.конф. по динамике разреженных газов (Новосибирск, 1969, Москва, 1977, Новосибирск, 1979, Ленинград, 1991), IV, V Всес. конф. по физике и генераторам низкотемпературной плазмы (Алма-Ата, 1970; Новосибирск, 1972), IV Всес. конф. "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах" (Николаев, 1989), Всес. семин. "Изучение неоднородностей в прозрачных средах" (Москва, 1971, 1979), III Всес. конф. "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1989), I, II, III Всес. конф. "Лазерная техника и технология" (Вильнюс, 1987, 1988, 1991), Всес. конф. "Воздействие мощных потоков энергии на вещество" (Алма-Ата, 1987), VIII Всес. конф. по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990), I Всес. совещ. "Применение методов динамики разреженных газов в новых вакуумных технологиях" (Новосибирск, 1991), Междунар. конф. "Техногенное засорение космоса" (Москва, 1992), II Мевдунар. конф. по ионизованным газам (Прага, 1973), XIII, XIX Междунар. симп. по динамике разреженного газа (Новосибирск, 1982, Оксфорд, 1994), Междунар. симп. ÛE/LASE'94 (Лос-Анжелес, 1994), Photonics West'95 (Сан-Хосе, 1995)и ряде отраслевых и региональных конференций.

Материалы диссертации изложены в 71 печатной работе, основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура в объём диссертации

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложения. Изложена на 362 стр., включая 149 рис., 7 табл., список литературы из 303 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана трансформация структуры струй при переходе от сплошного к свободно-молекулярному режиму течения и дан анализ теоретических и экспериментальных исследований сверхзвуковых неизобарических струй газа. Отмечено, что наиболее полно исследованы струи идеального газа. С использованием хорошо развитых численных методов выполнены систематические исследования истечения в вакуум и затопленное пространство, рассмотрены автомодельные свойства таких течений. Однако при адиабатическом расширении газа в пространство с низким абсолютным давлением становится существенным проявление эффектов вязкости, разреженности и неравновесности. Наличие вязкости приводит к возникновению пограничного слоя на стенках сопла, а также слоя смешения вдоль границы струи в зависимости от определяющего числа Рейнольдса Веь = Еес/Н, где йес - число Рейнольдса по параметрам в критическом сечении сопла, а N = р0/рм - отношение давления торможения к окружающему.

На рисЛ представлена диаграмма областей исследований сверхзвуковых струйных течений низкой плотности различных авторов, включая области исследований настоящей работы.

Первая глава посвящена описанию вакуумных газодинамических установок и высокоэнтальшйшх источников.

В разделе 1.1 содержится краткий исторический анализ состояния и тенденций развития имитаторов космоса и вакуумных газодинамических установок у нас в стране и за рубежом. Приведены основные параметры крупных вакуумных стендов. Отмечены характерные черты развития этих установок, состоящие в увеличении объёмов рабочих камер, производительности систем откачки и использовании импульсных режимов работы. Представлена общая характеристика газодинамического комплекса, созданного в Институте теплофизики СО РАН.

^разделе 1.2 дано описание вакуумных установок ВС-3 и ВИКА, входящих в газодинамический комплекс Института. Установка ВС-3, объёмом 4,7 м3, оснащенная азотной криогенной откачкой и традиционными средствами откачки являлась первой в стране достаточно крупной газодинамической установкой и соответствовала мировому

лазерным импульсным источником (2), 3 - Ш, 4 - Е23, 5 - [3], 6 - С43, 7 - [53, 8 - (63, 9 - [73.

техническому уровню подобных стендов, введенных в действие в 60-е года. Установка оснащена плазменным газодинамическим источником, системой манипуляторов и диагностическим комплексом, включая электронно-пучковое оборудование.

Крупномасштабная вакуумная импульсная камера ВИКА, введенная в действие в начала 80-х годов,- объемом 36 м3 по своим основным параметрам, производительности, режимам работы и оснащению (четыре 5-ти компонентных прецизионных манипуляторов с ЧПУ, диагностический комплекс, автоматизация сбора и обработки информации импульсный лазерный газодинамический источник) может быть отнесена к вакуумным газодинамическим установкам нового поколения.

В разделе 1.3 подробно рассмотрен важный элемент газодинамических вакуумных установок - манипулятор. На основе анализа тенденций в развитии и создании манипуляторов в станкостроению! и адаптации необходимых узлов для работы в условиях вакуума была выработана концепция модульного построения манипуляторов с легко изменяемой конфигурацией, гибкими связями и управлением от ЭВМ. Ими оснащены установки ВС-3 и ВИКА.

В разделе 1.4 проведен краткий анализ современных методов нагрева рабочего газа в газодинамических источниках для получения

высокоэнтальпийных струйных течений. Рассмотрены особенности их работы при пониженных давлениях, а также недостатки и ограничения. Представлены конструкции и основные технические характеристики стационарного электродугового подогревателя и импульсного лазерного газодинамического источника, разработанных для установок ВС-3 и ВИКА.

Вторая глава посвящена вопросам диагностики стационарных высокоэнталышйных струй газа и плазмы низкой плотности. Основное внимание уделено развитию локальных электронно-пучковых методов измерения плотности, которая является одним из важнейших параметров, характеризующих протекание физических процессов в сверхзвуковых струях.

В начале главы дан краткий обзор современных методов измерения плотности в разреженном газе и плазме, проведена классификация методов, описаны их возможности и ограничения.

В разделе 2.2 подробно рассмотрены невозмущащие пассивные и активные электронно-пучковые методы измерения плотности разреженного газа на основе поглощения и рассеяния электронов, оптической и рентгеновской флюоресценции электронно-возбуздённого газа. Идея последнего метода была высказана впервые независимо Циглером с сотр.[8] и Троханом A.M.[93 и основана на пропорциональности интенсивности тормозного рентгеновского излучения от концетрации атомов газовой мишени. Однако не было проведено систематических исследований рентгеновского излучения газовых мишеней и не рассмотрены границы применимости этого метода. Вопрос о диагностике по характеристическому рентгеновскому излучению не рассматривался.

В разделе 2.3 рассмотрены механизмы возбуждения быстрыми электронами тормозного и характеристического рентгеновского излучения и проведен теоретический анализ зависимости интенсивности рентгеновского излучения от определяющих параметров: тока { и энергии электронного пучка еУ, концентрации п и атомного номера 2 элементов газовой мишени. С использованием теории КрамерсаЕЮ] показано, что интегральная интенсивность тормозного рентгеновского излучения газовых мишеней:

1т = cZ2in,

а количество 7-квантов, регистрируемых детектором,

N = OtlnZ^y-ilxifV/Yd),

где с, с, -коэффициенты, Vd - потенциал дискриминации сигнала.

Интенсивность характеристического излучения с использованием

модели Томсона [ИЗ для определения сечения ионизации внутренних оболочек атома:

I* « ВЫ(У - Уъ)/(Уг-7ъ),

где V*- потенциал ионизации Я-оболочки атома, В - параметр, зависящий от статистического веса уровня, вероятности перехода' и частоты 7-кванта. Для одного сорта атомов и определенной линии излучения В - величина постоянная.

Из этих выражений видно, что интенсивности тормозного и характеристического излучения линейно связаны с концентрацией атомов мишени. Эти зависимости являются основополагающими при разработке методов измерения локальной плотности газа по рентгеновскому излучению.

В атом же разделе описаны методические аспекты и аппаратурное решение электронно-рентгеновских методов измерения локальной плотности газа и плазмы. Рассмотрены вопросы генерации электронного пучка, его стабилизации, фокусировки, вывода в вакуумную камеру, измерения тока пучка на коллекторе электронов в условиях плазменного потока. Описан измерительный комплекс для регистрации тормозного и характеристического рентгеновского излучения, локализация измерений.

Проведенные методические исследования тормозного рентгеновского излучения ряда газов ( Нг, Не, 0г, Аг ) в диапазоне I -0,1 - 3 мА, V = 7,5 - 22,5 кВ, п = Ю13 - Ю16 см-3, подтвердили теоретические предпосылки и позволили построить универсальную тарировочную зависимость, показанную на рис.2. Эта зависимость открывает возможность применения электронно-рентгеновского метода для исследования сверхзвуковых струй паров жидкостей, металлов и других веществ и их смесей путем расчётного перестроения тариро-вочных зависимостей, полученных на обычных газах в статических условиях при комнатной температуре.

При спектральном исследовании рентгеновского излучения использовался бездисперсионный метод, основанный на пропорциональности амплитуды выходных импульсов рентгеновского детектора (например, пропорционального счётчика) от энергии регистрируемых 7-квантов. Селекция выходных сигналов счётчика по амплитуде осуществлялась при помощи дифференциального дискриминатора. Спектр рентгеновского излучения аргона, полученный этим методом, представлен на рис.3. Положение пика интенсивности излучения соответствует линиям ЛгК^ (энергия 3,2 кэВ), что было установлено снятием спектров рентгеновского излучения ряда элементов (Б, Т1, Си).

10ч

6 4

2

102М

о - Ах « - Ы2 а - 02

У

1014 2 4 6 1015 2 п, СМ"3

Л»?

ООО

/ООО

вас

го $о бо т

дискриминация, в

Рис.2. Универсальная тарировочная зависимость для тормозного излучения .

Рис.3. Характеристический спектр К-серии Аг, возбужденный электронным пучком.

б

Рис.4. Сравнение результатов измерений осеЕого распределения плотности в струе аргона за звуковым соплом, выполненых двумя методами.

Исследования зависимости интенсивности характеристического излучения аргона, проведенные в диапазоне t = 0,07 - 25 ма, 7 = 3,5 - 25 кВ, п = 5-Ю14 - 4-Ю15 см-3, подтвердили линейную зависимость интенсивности характеристического излучения от тока электронного пучка и концентрации атомов. Зависимость интенсивности линий ЛгЯдр от энергии электронов пучка при фиксированных значениях inn согласуется с вероятностью ионизации, рассчитанной по модели Томсона.

Линейная зависимость интенсивности характеристического излучения от плотности газа (концентрации атомов) позволяет применять это излучение, как и тормозное, для измерения локальной плотности в потоках разреженного газа и плазмы. На рис.4 в виде иллюстрации метода приведены результаты измерений осевого распределения плотности в струе за звуковым соплом, полученные по тормозному и характеристическому излучению на одном из режимов истечения "горячей" струи.

Следует подчеркнуть, что разработка метода измерения локальной плотности газа по характеристическому излучению существенно расширяет возможности электронно-рентгеновской диагностики, поскольку позволяет проводить измерения парциальных плотностей в многокомпонентных газовых смесях и вблизи стенки, где велико фоновое рентгеновское излучение от взаимодействия рассеянных электронов со стенкой.

На основе проведённых исследований установлены границы применения электронно-рентгеновских методов по концентрации: 10 $ $ гЛ < IQ17 см-2, где h - длина электронного пучка, погрешности измерений, представлены оценки рассеяния электронного пучка, возмущений, вносимых электронным пучком в исследуемую среду, влияние флюоресцентного излучения и поглощения ретгеновского излучения, скорости потока и времени испускания 7-квантов на результаты измерения плотности.

В разделе 2.4 рассмотрены вопросы возможности применения электронно-оптических и электронно-рентгеновских методов и их комбинирования для измерения парциальных плотностей в газовых смесях с умеренной температурой торможения {Т0 < 1200 К) и для исследования высокоэнтальпийных сред при 2000 i Г0 i 10000 К.

Были сняты спектры, возбужденные электронным пучком, и спектры собственного свечения аргоновой плазмы в диапазоне 3500 -- 6000 1. Анализ полученных спектров показал, что в исследованном диапазоне температур (6000 с Т0 10000 К) в спектре собственного излучения плазмы имеются все линии Arl, а линии Aril практически отсутствуют, в то время как в спектре, возбужденном электронным

Рис.5. Линия АгП 4609,56 1, возбужденная электронным пучком, на фоне сплошного спектра плазмы.

ю \ V = 20 КВ С02

4 К « ывг - \

ю" - ' оптика

6 4 - "Чпи.а-ю15 с*"3

г _

реитгвнХ I 1 чЗ,8-1015 Х| 1 1 I

о / г з л 5 б 7 г, т

Рис.6. Поперечное распределение интенсивности излучения в электронном пучке в рентгеновской и оптической областях спектра.

Рис.7. Увеличение тока пучка на зонд Лэнгмюра расположенного на расстоянии 10 мм от электронного пучка, при возрастании давления в камере.

Рис.8. Изменение интенсивности оптического излучения, возбужденного электронным пучком в ¥г, у поверхности коллектора при разных значениях потенциала на нем.

пучком, наряду с линиями Arl имеется довольно большое количество линий Aril. Поэтому в принципе возможно использование линий Aril, возбужденных электронным пучком, для диагностики светящихся потоков 42]. Однако более детальный анализ спектров, возбужденных электронным пучком в плазме, показал, что с ростом температуры интенсивности линий Aril становятся соизмеримыми с уровнем сплошного спектра плазмы. Например, при увеличении Т0 от 2000 до 7000 К отношение интенсивности линии Aril 4609 1 к уровню реком-бинационного континуума падает от 46 до 1,2 при прочих равных условиях (рис.5). Основываясь на проведенном анализе оптических спектров, можно сказать, что при высоких температурах использование оптической области спектра для измерения плотности газа становится затруднительным, так как наличие сплошного спектра излучения плазмы существенно искажает интенсивность линий, возбужденных электронным пучком.

В отличие от оптической области спектра, на результаты измерений плотности по рентгеновскому излучению физико-химические процессы, протекающие при высоких температурах (диссоциативная и ионизационная рекомбинация, дезактивация возбужденных степеней свободы, обеднение верхних уровней атома и др.), влияния не оказывают.

В разделе 2.5 рассмотрены вопросы локализации измерений при электронно-оптическом и электронно-рентгеновском методах измерения и влияние вторичных электронов в плазме электронного пучка на результаты электронно-оптического метода.

Для определения локализации измерения плотности относительно поперечного размера электронного пучка (около 2 мм) были проведены измерения в оптическом и рентгеновском диапазонах спектра излучения газовых {Nz, С0г) мишеней путем сканирования узкой приемной щелью поперек его оси. Полученные результаты измерений, после абелиризащш, показали (рис.6), что характерные поперечные размеры "оптического" и "рентгеновского" электронного пучка существенно различны. Причина, уширения свечения электронного пучка в оптическом диапазоне спектра связана со вторичными электронами, также вызывающих излучение в оптическом диапазоне, в то время как рентгеновское излучение возбуждается только первичными высоко-энергетичными электронами пучка.

Прямые измерения зондом Ленгмюра на разных расстояниях от оси пучка показали, что при расчетной концентрации первичных электронов в пучке Ю7 см-3, измеренные зондом концентрации электронов в пучке составили 10 - 10 см~3, а на периферии (г = 42 мм) - 1,7-Ю8 см-3 , т.е. значительно выше плотности первичных элект-

ронов даже на далекой периферии. Средняя энергия этих электронов повышается от 1,5 эВ при г = 42 мм до 25 эВ у пучка.

Измерения концентрации электронов на оси пучка показали, что при увеличении давления газа на порядок от 2,6 до 26 Па плотность электронов выросла не пропорционально, а менее чем в 3 раза, в то же время на расстоянии 10 мм от оси пучка, т.е. в области, где нет первичных электронов, концентрация электронов увеличивается примерно пропорционально квадрату давления газа (рис.7), что говорит о возрастании объема, занимаемого плазмой пучка при увеличении скорости ионизации в пучке первичных электронов и вызывает уширение области измерения и нелинейность интенсивности оптического излучения с ростом плотности газа.

Вклад вторичных электронов в возбувдение оптического излучения в газовой мишени также демонстрирует эксперимент по измерению интенсивности излучения в газе в 10 мм от поверхности коллектора электронов, на который подавался потенциал от 0 до -1000 В. Наличие электрического поля не оказывало влияние на быстрые электроны пучка, что контролировалось по интенсивности излучения в рентгеновском диапазоне спектра. Интенсивность же оптического излучения при вариации потенциала коллектора испытывала значительные изменения, что демонстрирует график на рис.8.

Обнаруженные эффекты следует иметь в виду при проведении электронно-оптических измерений и интерпретации получаемых результатов, особенно в высокоэнтальпийных потоках и областях течений с большими градиентами плотности. В то же время от этих недостатков свободны метода измерения плотности газа по рентгеновскому излучению.

Третья глава посвящена исследованию процессов истечения стационарных высокоэнтальпийных разреженных струй в затопленное пространство в режимах от рассеяния до сплошного (3 ^ Веь $ 1000) при вариации температурного фактора Т0/Тт от I до 17.

В начале главы дан краткий анализ основных результатов исследования струй низкой плотности. Отмечено, что практически отсутствуют данные по исследованию газодинамической структуры высокоэнтальпийных неизобарических струй низкой плотности.

В разделе 3.2 описаны результаты исследований газодинамической структуры высокотемпературных разреженных струй. Измерения проводились электронно-рентгеновским методом в диапазоне Т0 = 290 - 5200 К, Яес= 300 - 40000 и N = 300 - 30000.

В качестве моделирующего параметра был выбран комплекс Деь = Иес/№-5 12]. Этот комплекс удобен тем, что он пропорционален локальным числам Рейнольдса для различных зон струи и обратно

пропорционален значению локального числа Кнудсена, т.е. позволяет единообразно оценивать эффекты вязкости и разреженности в струе.

Результаты измерений представлены в универсальных координатах pN - т/№ •5 ир]?"- у/№ •5. В первой серии экспериментов было получено, что при фиксированных значениях ReL и Т0/Тя распределение плотности в струе автомодельно по N (при N ^ 100, Явь £ 80).

Дальнейшим этапом исследований являлся анализ влияния температурного фактора на газодинамическую структуру струй. Проведение этих исследований существенно облегчилось наличием автомодельнос-ти распределения плотности по N. Выли измерены осевые и поперечные профили при ряде фиксированных значений йеь и различных Tq/T^. Один из поперечных профилей, снятый при х/№■5 = 0,45, ReL = 100 и Т0 = 290 - 5000 К, представлен на рис.9. Из рассмотрения этого графика видно, что в области зоны смешения распределение плотности существенно зависит от температурного фактора. В зоне невязкого ядра струи профили плотности, снятые при Т0 = var, совпадают между собой.

Проведенные исследования показали, что при ReL i* 150 температурный фактор не оказывает влияния на осевые распределения плотности на всей исследованной длине струи -5 $2). При 80 $ Явь < 150 влияние температурного фактора на осевые распределения' плотности проявляется уже вблизи за диском Маха. С дальнейшим уменьшением ReL влияние температурного фактора начинает проявляться вблизи от среза сопла.

Полученные экспериментальные данные ло распределению плотности в струях позволили рассмотреть перестройку картины течения при изменении Rex. При больших значениях Ввь (ReL 2 300), соответствующих сравнительно малой степени разреженности, распределение плотности по оси струи, а также расстояние до диска Маха близки к рассчитанным по модели идеальной жидкости (рис.10). Измерения поперечных профилей показывают, что на этих режимах за диском Маха сохраняется протяженный кольцевой слой сжатого газа. При уменьшении Деь происходит утолщение ударных волн и зоны смешения; в области за диском Маха возникает характерная циклическая структура, и смыкание зоны смешения происходит вблизи за диском Маха. Следует заметить, что "расслоение" осевых профилей плотности, полученных при разных Т0, возникает в области, где зона смешения достигает оси. При дальнейшем уменьшении ReL (Rex, $ IQ) происходит переход к режиму рассеяния; при этом скачки плотности вырождаются, и смыкание зоны смешения происходит уже вблизи от среза сопла.

В четвертой главе дано описание диагностического комплекса

Рис.9. Поперечные профили плотности в струе за звуковым соплом при разных температурах торможения.

10* Z 3 4 5 6 7 8 10° 2 S//Ñ

Рис.10. Осевые профили плотности в струях за звуковым соплом при вариации ReL и Т0.

для измерения быстропротекающих процессов при взаимодействии мощного ЛИ с мишенью, разработанного на основе модернизированных известных методов и вновь созданных.

В разделе 4.1 рассмотрены вопросы измерения энергетических и временных параметров лазерного импульса, распределения интенсивности излучения по радиусу пятна облучения. Применение полусферического резонатора и сменных ослабителей позволило свести к минимуму пичковую структуру импульса и стабилизировать форму лазерного импульса при вариации выходной энергии более чем на два порядка, что принципиально важно при проведении систематических исследований.

В разделе 4.2 описан метод измерения импульса отдачи облучаемой мишени с помощью баллистического маятника. Различные модификации этого метода позволили расширить диапазон измеряемых величин и впервые определить вектор импульса отдачи при разных углах облучения мишени.

В следующем разделе рассмотрены методические вопросы, связанные с разработкой пьезодатчика для измерения давлений на облучаемой мишени в диапазоне Ю3 - Ю7 Па и с временным разрешением I же. Разработанный пьезодатчик с согласующим устройством и системой автоматизации проведения измерений и обработки информации позволяет измерять давление и импульс отдачи, проводить сравнительный анализ. Для тарировки пьезодатчика был разработан маятниковый динамический метод, позволяющий с высокой точностью (погрешность измерений менее 5 %) определять коэффициент чувствительности датчика для измерения давления и импульса отдачи.

Результаты измерений импульса отдачи, полученные на пьезо-датчике, хорошо согласуются с данными, полученными на баллистическом маятнике.

В разделе 4.5 описан метод калориметрирования облучаемых мишеней с помощью термопары. Разработанные системы подвески образца, демпфирующего экрана позволили свести к минимуму тепловые потери и проводить измерения в широком диапазоне интенсивностей Ж, включая 10 Вт/см2. Процесс измерения автоматизирован на базе ЭВМ и позволяет определять прирост температуры на облучаемом образце, относительную долю энергии ЛИ, трансформировавшуюся в тепловую энергию образца, и тепловой поток из пятна облучения вглубь образца.

Измерениям отражательной способности материалов мишеней при лазерном облучении посвящен раздел 4.5. Приводится схема измерений с использованием полусферического зеркального объектива и методика тарировки измерительного участка.

Важной характеристикой цроцесса взаимодействия Ж с мишенью с образованием эрозионного факела являются экранирующие свойства последнего. Для измерения коэффициента проховдения ЛИ.через эрозионный факел был разработан метод, основанный на отборе части ЛИ (менее I %) из пятна облучения кварцевым световодом и сравнительном анализе с интенсивностью исходного Ж. Описание этого метода и автоматизированной системы сбора и обработки информации приводятся в разделе 4.6.

Благодаря применению световодной техники стало возможным объединение этого метода с пьезодатчиком, что позволило одновременно проводить измерения импульса отдачи, давления, интенграль-ного коэффициента прохождения Ж за время лазерного импульса и динамики изменения прохождения Ж в процессе лазерного облучения.

В заключительном разделе главы IV описан электронно-рентгеновский метод измерения локальной плотности газа и паров твердых тел в сверхзвуковых импульсных струях с временным разрешением 10 мкс. Разработанный метод объединил основные достижения исследовательской группы в области электронно-пучковой диагностики и измерений быстроцротекающих процессов с широким использованием цифровой измерительной и компьютерной техники.

В пятой главе представлен анализ энергобаланса взаимодействия импульсного Ж с диэлектрическими и металлическими мишенями в интервале интенсивностей излучения Ю5 - 107 Вт/см2.

При воздействии мощного ЛИ на материалы происходит отражение части излучения, нагрев поверхностных слоев, их испарение и отвод части тепла в глубь мишени. В результате выброса продуктов эрозии, состоящих из паров с включением непаровой фазы, возникает эрозионный факел, который создает импульс отдачи на мишень. При этом часть энергии Ш1 трансформируется в кинетическую энергию факела и мишени. Проховдение Ж через эрозионный факел сопровождается поглощением и рассеянием части энергии Ж на продуктах эрозии. Эти основные каналы, по которым распределяется энергия Ж, можно описать, определив коэффициенты отражения от поверхности материала и прохождения излучения через эрозионный факел, выброс паров, импульс отдачи и нагрев мишени при вариации интенсивности Ж.

В разделах 5.1 - 5.5 рассмотрены результаты комплексных измерений тепломеханических и оптических характеристик взаимодействия мощного импульсного Ж с мишенями при вариации интенсивности излучения от Ю5 до Ю7 Вт/см2 и внешнего давления от Ю-2 до Ю5 Па, проанализированы особенности диэлектрических и металлических образцов.

На рис.11 представлены результаты калориметрических измерений для алюминиевой мишени, где <Э - количество тепла, поглощенное мишенью при облучении, Е0 - энергия ЛИ, 5 - площадь пятна облучения, ДУН - прирост температуры облучаемой мишени толщиной I см и площадью чей2 = иг2 = I см2. На этом же графике представлены крестиками результаты измерений, полученные авторами работы С133.

Анализ калориметрических измерений на металлических и диэлектрических мишенях показал, что результаты хорошо укладываются на прямые в логарифмических координатах и могут быть апроксимированы соответствующими уравнениями. Эти уравнения совместно с затабули-рованными эмпирическими коэффициентами позволяют проводить расчёт тепловых нагрузок на облучаемую поверхность в режиме интенсивного испарения.

Калориметрирование предварительно нагретых мишеней и решение двумерной задачи теплопроводности позволило получить и объяснить эффект увеличения прироста температуры при увеличении исходной температуры мишени для некоторых материалов, например, титана после лазерного облучения.

Детальное исследование экранирующих свойств эрозионного факела дало, кроме данных по коэффициентам прохождения ЛИ через эрозионный факел, обширный материал для анализа поведения тепломеханических и оптических характеристик взаимодействия Ж с мишенью. Показано, что именно экранирующими свойствами факела во многом определяются изменение импульса отдачи, коэффициента отражения от поверхности мишени и другие эффекты при вариации давления окружающей среды.

В разделе 5.4 проведен анализ зависимости величины импульса отдачи при образовании эрозионного факела от интенсивности ЛИ, давления окружающей среды, угла облучения и предварительного нагрева мишени.

Зависимости импульса отдачи J от энергии облучения Е0, нормированные по площади пятна облучения Б, в логарифмических координатах представляют набор практически прямых линий для различных материалов мишеней (рис.12). На основе комплексных экспериментальных исследований различных материалов получено ,уравнение с эмпирическими коэффициентами для определения импульса отдачи J и давления р в пятне облучения при Е0/Б < 2 кДж/см2 ирв< Ю5 Па.

С помощью полярного баллистического маятника были проведены исследования влияния угла облучения мишени на величину импульса отдачи. Как видно из рис.12, полученные результаты хорошо обобщаются в координатах - Е0/Б вне зависимости от угла падения излучения на поверхность мишени, если принять за площадь пятна

Рис.II. Калориметрические измерения на облучаемой алюминиевой мшэни. ■ - 0/Е0, е - Я/Б, А - Ш, + - 0/Ео [13].

£„/5, Дж/см*

Рис.12. Удельный импульс отдачи при истечении факела в вакуум и атмосферу и разных углах облучения.

Рис.13. Удельный импульс отдачи эбонитовой мишени при р» = Ю5 (I) и Ю-2 Па (2) с коррекцией на .ослабление излучения в факеле (3,4) и противодавление (в).

облучения S = S(p_0 /Cos (p. Это позволяет использовать приведённое вше уравнение и для случая облучения поверхности под разными углами.

Анализ механизмов, влияющих на импульс отдачи при разных давлениях окружающей среды, показал, что при высоких интенсив-ностях облучения мишеней основную роль играет экранирование излучения в эрозионном факеле. На рис.13 сплошные линии 1,2-результаты измерений импульса отдачи на эбонитовой мишени в зависимости от исходной интенсивности ЛИ при рю = I05 и Ю~2 Па соответственно, а 3, 4 построены с учетом ослабления ЛИ в эрозионном факеле. Однако при низких интенсивностях Ж пунктирные линии 3, 4 для рв = IQ5 и Ю-2 Па значительно расслаиваются. Учет противодавления CI4J при > 0, которое становится заметным при понижении давления в пятне облучения (при малых интенсивностях ЛИ), позволяет получить полное совпадение откорректированных таким образом результатов измерений при рю = Ю5 и 10 Па (кружочки и пунктирная линия 4 на рис.13). Этот результат указывает на определяющее влияние расмотренных выше факторов на величину импульса отдачи при вариации внешнего давления.

В разделе 5.5 представлены результаты весовых измерений выброса продуктов эрозии из пятна облучения металлических и диэлектрических мишеней.

На основе измеренных параметров в разделе 5.6 проводится анализ энергобаланса. На рис.14 представлены графики энергобаланса облучаемых образцов из текстолита и титана. Как видно из графика на рис.14а, доля энергии Q/E0, идущая на сублимацию, занимает ведущее место в энергобалансе взаимодействия Ж с диэлектрическими материалами и мало изменяется с ростом интенсивности Ж. Меньшие доли энергии Ш Е0 идут на конкурирующие процессы: увеличение энтальпии мишени AQ/E0 и ослабление энергии Ш1 в эрозионном факеле I - Е/Е0. При малых интенсивностях ЛИ продукты эрозии мало ослабляют ЛИ, а относительная доля Л0/Ео значительна. При увеличении E0/S экранирующий фактор резко возрастает, a kQ/E0 становится мала. Кинетическая энергия факела Еф и мишени Еы играют меньшую роль в балансе энергии и становятся заметными только при больших интенсивностях Ш. В связи с некоторой неопределенностью массы паровой фазы, параметры, в которых учитывается эта масса, представлены заштрихованными полями в соответствии с верхней и нижней оценками. В металлах с высокой теплопроводностью значительно большая часть энергии Ж уходит на нагрев мишени. Также велика роль отражения Ш. от поверхности мишени, особенно при низких интенсивностях Ж.

<УУ»уч*НИИ импульсным Л'|Г.вГЮМ.

Влияние давления окружающей среды на энергобаланс в первую очередь связано с формированием эрозионного факела и его экрани-руодими свойствами. В вакууме (сплошные кривые) доля I - Е/Е0 при интенсивном испарении значительно меньше, чем при атмосферном давлении (пунктирные кривые). В первую очередь по этой причине при увеличении давления окружающей среды уменьшается импульс отдачи, выброс продуктов эрозии, нагрев мишени.

Проведенные измерения и оценки взаимодействия импульсного Ж с материалами позволяют наглядно представить роль основных физических процессов в энергобалансе системы при вариации интенсивности Ж и других параметров.

Шестая глава посвящена газодинамическим аспектам импульсного источника эрозионной плазмы, возникакщей при облучении твердой поверхности мощным лазерным импульсом.

Из литературы известно, что образование факела на свинцовой мишени сопровождается на некоторых режимах облучения пульсациями давления [15], возникновение которых авторы ряда работ связывают с экранирующими свойствами эрозионного факела [16,17]. Систематические исследования с помощью разработанного пьезодатчи-ка и системы регистрации пульсаций давления на облучаемой импульсным лазером мишени, представленные в разделе 6.1, показали, что эти пульсации давления наблюдаются на всех материалах мишеней в очень широком диапазоне интенсивностей облучения. При этом экспериментально обнаружены новые эффекты - наличие на некоторых режимах облучения отрицательных пиков суммарного силового воздействия на мишень (рис.15, кривая 2), консерватизм амплитуд пульсаций давления при изменении интенсивности излучения на порядки (рис.15, кривые 1,2) и зависимость пульсаций давления от площада необлучаемых

Рис.15. Пульсации давления и прохождение Ж через эрозионный факел магниевой мишени.

краев мишени.

С помощью разработанной методики были проведены одновременные измерения давления на мишени и экранирувдих свойств эрозионного факела (рис.15). Эти исследования, представленные в разделе 6.2, показали, что экранирующие свойства факела (кривые 3, 4) не коррелируют с пульсациями давления (кривые I, 2), т.е. ослабление Ж в факеле не является определяющим механизмом в формировании пульсаций давления в режиме интенсивного лазерного испарения.

Анализ полученных результатов позволил предположить, что пульсации давления на облучаемой мишени возникают из-за вовлечения образующимся эрозионным факелом в движение газа затопленного пространства, который в свою очередь воздействует на необлу-чаемые края мишени.

Для проверки этой гипотезы было проведено численное моделирование процесса образования эрозионного факела на основе решения полной системы уравнений Навье-Стокса.

В разделе 6.3 описана постановка задачи для численного моделирования процесса образования эрозионного факела, представляемого мгновенным включением высокоэнтальпийного источника со звуковым соплом диаметром, равным пятну облучения.

Полученные поля течений (рис.16а,б) для различных моментов времени после начала испарения в пятне облучения и временная развертка сил на облучаемую мишень (рис.16в) позволяют сделать заключение, что в формировании пульсаций давления основную роль играют газодинамические процессы. В результате смены знака вектора скорости газового потока у поверхности краев мишени возникают пульсации давления. Точками на рисЛбв представлены экспериментальные данные для эбонитовой мишени при параметрах истечения, близких к расчетным.

При большой площади необлучаемых краёв мишени или низкой интенсивности излучения и соответственно малой нерасчетности могут возникать отрицательные пики результирующего силового воздействия на мишень, которые представлены на рис.17а, где сплошной линией представлен расчет, а точками - экспериментальные данные для титановой мишени.

На рис.18 представлены результаты расчета и экспериментальные данные пульсаций давления на облучаемой эбонитовой мишени при разных ее размерах й и постоянном радиусе пятна облучения г. При Е»г пульсации давления отсутствуют и возникают лишь при К > г, причем с ростом Е увеличивается амплитуда пульсаций.

С помощью разработанной газодинамической модели хорошо объясняются и другие экспериментальные эффекты, например консерва-

р *

в й " ГV9 А

у/г 1,0

0,5 -

л \ % ш, » * «•»• t ♦ v s, : : ; : : -as 1 , А

У 0,1

0,2 0,4- 0,6 i, не \-1-J-

0 5 10 15 сс/г

Рис.16. Поля течений в моменты времени 25 (а) и 190 мкс (0), пульсации давления на мишени и скорости у края мишени (в).

-1

А а

А/3

1 1 1 г 1 .A.J ; / А '■} UJXU Y? \ / ■ N / Л / (4 1" * ц

rrAJ1 J / » ' ■\ ' * дУ.1 •» ч.

- " i V t \ t ,

гоо 4оо i,mc

о

200 400 {, мКС

Рис.IV. 'Пульсации полного, статического и динамического давлений на поверхности облучаемой мишени яри п « 1,1 (а) и 25 (<5), И/г -= 2 и 4 (штрих-пунктирная линия на 6). лИ - форма лазерного импульса. Точки - экспеоименталъные данные.

гоа

i, мкс

р ю

5 О -5 5 О 5 О О -5

■3 1 Л

ш 1

Afl 111

уу*

—v\

■ i i ,, г

В-4.5Г

В-Зг

-R-2T

R-r

О 200 400 Í,hkc

Рис.18. Влияние размеров мишени на пульсации давления при фиксированном диаметре пятна облучения, а - расчет, б - эксперимент.

О 200 400 t.MKC

Рис.19. Влияние размеров пятна облучения на частоту пульсаций давления на мишени.

5л

О 200 400 i,мкс

Рис.20. Влияние физических свойств материалов мишеней на частоту пульсаций.

тивность пульсаций давления при изменении интенсивности ЛИ на порядки, которые в рамках других моделей не находит объяснения.

Полученная газодинамическая модель процесса формирования эрозионного факела позволяет анализировать эту многопараметрическую задачу и определять влияние геометрии облучения, основных физических свойств мишени и окружающей среды на частоту и амплитуду пульсаций давления.

Анализ результатов численного моделирования показал, что частота пульсаций давления пропорциональна стартовой скорости ие продуктов эрозии из пятна облучения и обратно пропорциональна размерам пятна облучения. На рис.19 представлены экспериментально полученные пульсации давления на мишени при Я = 4,5 г и размерах пятна облучения г = 3,5 и 7 мм, которые согласуются с выводами численого моделирования.

Стартовая скорость частиц ие ~ (Тс/т)0-5, где Гс - температура на срезе сопла, т - масса моленул испаряемого вещества. Таким образом, мокно ожидать, что для материалов мишеней с близкой температурой кипения, но существенно разной масой молекул, частота пульсаций будет отличаться в корень из отношения масс, причем для более лёгких молекул частота будет выше. Экспериментальные исследования подтверждают этот результат. Например, на мишенях из А1 (Т> = 2721 К, ш = 27 а.9.) и Бп (Г* = 2995 К, т = 118,7 а.е.) с близкими температурами кипения, но существенно разными массами, получено (рис.20), что частота пульсаций отличается примерно в два раза, что соответствует расчету. Ещё меньшая частота пульсаций наблюдается при облучении мишени из свинца с Ть = 2017 К, т = 207,2 а.е. Зависимость частоты пульсаций от Т0 более сложная, т.к. Т0 входит не только в определение ис. Однако общая тенденция к изменению частоты пульсаций при разных Т0 или Тъ сохраняется. На рис.20 представлены экспериментальные кривые пульсаций давления, полученных на мишенях из (Т* = 1380 К, т = 24,3 а.е.) и А1, которые близки по массе, а температура кипения отличается примерно в 2 раза, что приводит к снижению частоты пульсаций при более низкой Т*.

Седьмая глава посвящена анализу эффектов неустойчивости импульсной струи на примере эрозионных факелов.

При образовании импульсных эрозионных факелов формирование газодкнамкческой структуры струи и неустойчнвостей на её границе происходит при двух нестационарных процессах. Первый связан с образованием и установлением факела в затопленном пространстве и распространении возмущений в последнем, а второй - с непрерывным изменением давления в самом источнике. Такая суперпозиция двух

эрозионный факел

лазерное излучение

о £ 2

б ■

Л г, '

п\/ ^ у\ р/Лл

4 >=С <и

3 К

со о

гоо

¿00 { (икс)

600

о 800

ъ.

Рис.21. Схема измерений (а), пульсации давления на облучаемой ми-шенни и концентрации газа в околофакельном пространстве (б).

юо

£0

*

и

,30

ю

0,1 0,3 0,5 1

Рис.22. Осевые профили концентрации паров свинца в эрозионном факеле в моменты времени 250 (I), 300 (2) и 350 мкс (3), осциллограммы давления на облучаемой мишени (4) и форма лазерного импульса (5).

нестационарностйй является типичной для рассматриваемого класса течений.

Б момент запуска даже стационарного источника наблюдаются неустойчивости, сопровождаемые образованием вихрей и пульсациями давления на присопловой поверхности t18,19]. В VI главе было отмечено, что пульсации давления на присопловой поверхности (облучаемой мишени) связаны с пульсациями плотности газа у этой поверхности.

Для выяснения поведения плотности в околофакельном пространстве был применен разработанный электронно-рентгеновский метод измерения локальной плотности газа. На рис.21 представлены результаты измерения плотности (концентрации) газа на расстоянии 20 мм от оси 20-мм свинцовой мишени в плоскости облучаемой поверхности. Как видно из осциллограмм, пульсации плотности действительно существуют и хорошо коррелируют с пульсациями давления на облучаемой мишени, что свидетельствует об обоснованности разработанной газодинамической модели.

С помощью электронно-рентгеновского метода были проведены также измерения осевых профилей концентрации в импульсном эрозионном факеле свинцовой мишени. На рис.22 представлены осевые профили концентраций эрозионного факела при ReL <* 300 и Nnax = 4000 для моментов времени 250, 300 и 350 мкс от начала лазерного импульса. Форма лазерного импульса и осциллограмма деления в источнике показаны в верхнем правом углу рис.22. Согласно формуле Ашкенаса и Шермана С203, подъем плотности, соответствующий диску Маха, должен находиться в районе x/d-N0'5 - 0,67. Как видно из графика при заданных параметрах истечения диск Маха не успеБает изменять свое положение в пространстве вслед за изменением давления в источнике. Таким образом, было показано, что если время пролета газа от источника до диска Маха порядка длительности работа источника, то ярко проявляется нестационарность истечения и нарушается закон Ашкенаса и Шермана.

В восьмой главе рассмотрено использование лазерного облучения поверхности с образованием эрозионного факела для удаления малоразмерного ( < 10 см) техногенного мусора из околоземного пространства и метод активной защиты космических объектов от столкновения с частицами мусора, представляющими в настоящее время серьезную опасность при освоении околоземного космического пространства.

В'разделе 8.1 рассмотрены источники техногенного мусора,, его распределение по орбитам и основные разрабатываемые методы борьбы с ним.

<

Один из предлагаемых методов активного уничтожения этого мусора - полное испарение малоразмерного мусора высококонцентрированным потоком энергии, например, лазерным излучением [21]. Однако этот метод требует очень высоких энергозатрат и соответственно бортовой источник энергии мощностью в несколько сот кВт.

Но испарение материала сопровождается образованием эрозионного факела, который создает реактивный импульс отдачи. Идея предлагаемого метода заключается в том, что такой лазерный реактивный двигатель, образующийся на малоразмерных объектах в зоне действия лазерного излучения, позволяет тормозить и переводить их на более низкие орбиты и окончательно дожигать в верхних слоях атмосферы.

В разделе 8.2 анализируется выбор оптимального режима облучения малоразмерных объектов с точки зрения минимальных энергозатрат при реализации метода.

В разделах 8.3 и 8.4 приведены результаты измерений импульсов отдачи в вакууме различных материалов, характерных для космического мусора, и на их основе дан анализ эффективности метода и требуемых энергозатрат.

Эти исследования показывают, что для удаления таким методом объекта массой I г и площадью поверхности I см2 необходима энергия лазерного импульса порядка 3 кДн, что более чем на порядок меньше, чем для полного его испарения. Бортовой источник энергии для работы импульрьой лазерной системы с учётом расходимости луча на расстоянии до 10 км достаточен мощностью в несколько кВт, что могут обеспечить солнечные батареи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Созданы вакуумные газодинамические установки, в том числе крупномасштабная импульсная камера ВИКА. Этот комплекс принципиально расширяет возможности проведения физических и прикладных исследований в области молекулярной термогазодинамики, включая импульсные процессы.

2. Проведены систематические исследования тормозного и характеристического рентгеновского излучения, возбужденного электронным пучком в газовых мишенях, и на их основе впервые разработан электронно-пучковый метод измерения парциальной плотности по интенсивности характеристического излучения и развит метод измерения локальной плотности по интенсивности тормозного излучения в стационарных струях. Для измерений в импульсных эрозионных факелах создан метод измерения локальной плотности по рентгеновскому излучению с временным разрешением 10 мкс. Элек-

тронно-рентгеновские метода обладают та сравнению с традиционным электронно-оптическим лучшей пространственной локализацией (<* 5 раз), свободны от влияния температуры и ионизации исследуемого газа, позволяют измерять плотность в потоках газа, плазмы и смесях в диапазоне n = I012 - 1016 см-3 с пространственным разрешением порядка Ю-3 см"3.

3. Создан диагностический комплекс для измерения тепломеханических параметров воздействия импульсного Ж на мишени, оптических свойств поверхности мишени и эрозионного факела. В этом комплексе использованы как известные метода диагностики в модернизированном виде, так и разработаны новые - измерение коэффициента прохождения Ш через эрозионный факел, реактивного импульса отдачи на мишень и электронно-рентгеновский метод измерения локальной плотности газа и плазмы с высоким временным разрешением. Диагностический комплекс автоматизирован и позволяет измерять до шести параметров одновременно, что принципиально важно при исследовании импульсных процессов.

4. Детально исследованы реактивный импульс отдачи, выброс массы эрозионного факела, нагрев облучаемой мишени, прохождение ЛИ через факел и отражение от поверхности облучаемой мишени. Рассмотрено взаимной влияние этих параметров для различных материалов в диапазоне интенсивности Ж IQ5 - Ю7 Вт/см2 и давления окружающего газа ICf2 - I05 Па. Проанализирован ряд полученных эффектов, и впервые эти данные обобщены в виде энергобаланса процесса взаимодействия Ж с твердой поверхностью.

5. Исследовано влияние температурного фактора (I ^ 17) на структуру стационарной струи одноатомного газа в режимах течения от сплошного до рассеяния (1000 ^ Rex, >3). Показано, что при фиксированных значениях Веь и Tq/T^ в широком диапазоне значений Reí, (ReL 2 80) и N (N <z I02) имеет место автомодель-ность распределения плотности по нерасчетности истечения, а в области невязкого ядра струи профили обобщаются и при разных ñe¿ и Т0/1ао. При переходе к режимам рассеяния влияние температурного фактора постепенно начинает проявляться на всем начальном участке струи, включая и ее ядро.

6. Исследодованы эффекты неустойчивости импульсных струй. Проведенное экспериментальное и численное моделирование дало возможность, впервые детально рассмотреть картину образования пульсаций давления на облучаемой лазерным импульсом твердой поверхности (с образованием эрозионного факела) и установить газодинамическую природу возникновения этих пульсаций. Разработанная модель этого многопараметрического процесса позволяет

рассчитывать амплитуда и частоты пульсаций в зависимости от геометрии мишени и пятна облучения, физических свойств материала мишени и окружающей среды во всем диапазоне интенсивного лазерного испарения. С помощью локального (электронно-рентгеновского) метода подтверждены пульсации плотности в околофакельном пространстве и обнаружены гестерезисные явления при формировании ядра импульсной струи.

7. Разработан лазерно-реактивный метод удаления космического мусора и активной защиты орбитальных станций, экологически чистый и требующий минимальных энергетических затрат.

Цитированная литература

СI].Лукьянов Г.А., Назаров В.В., Сахин В.В. О структуре недо-расширенных струй плазмы аргона в переходном режиме // ПМТФ. -I98I. -» 5. -С.27-33.

[23.Абросимов С.Н., Поляков Г.А., Шевчук В.Т. Влияние неравновесности на расширение С02 при его истечении в разреженную среду // Молекулярная газодинамика. -М.: Наука, 1982. -С.222 -227.

СЗЗ.Кисляков Н.И., Ребров А.К., Шарафутдинов Р.Г. Диффузные процессы в зоне смешения сверхзвуковой струи низкой плотности // ПМТФ. -1973. -№ I. -C.I2I-I27.

(41.Волчков В.В., Иванов A.B., Кисляков Н.И., Ребров А.К., Сух-нев В.А., Шарафутдинов Р.Г. Струи низкой плотности за звуковым соплом при больших перепадах давления // ПМТФ. -1973. -J 2. -С.64-73.

[5].3арвин А.Е., Мадирбаев В.Ж., Палопеженцев С.А., Ярыгин В.Н. Сверхзвуковые струи аргона и криптона в условиях конденсации // Течение разреженного газа с неравновесными физикохи-мическими процессами: Тр. VIII Всес.конф. по динамике разреженных газов. -М.: МАИ, 1987. -С.52-57.

[бЬКутателадзе С.С., Новопаиин С.А., Пврэпвжин A.JI., Ярыгин В.Н. Тонкая структура течения сверхзвуковой недорасширенной турбулентной струи // ДАН СССР. -1987. -Т.295, » 3. -С.556-558.

[7].Авдуевский B.C., Иванов A.B., Карпман И.М., Трасковский В.Д., Юделович М.Я. Влияние вязкости на течение в начальном участке сильно недорасширенной струи // ДАН СССР. -I97I. -Т.197, JÉ I. -С.46-49.

[8].Циглер, Берд, Олсон, Халл, Морриэл. Исследование распределения плотности в разреженных горячих газах методом зондирования электронным пучком // ПНИ. -1964. -Jé 4. -С.23-31.

[9] .Трохан A.M. Измерение параметров газовых потоков при помощи

пучка быстрых электронов // ШЕФ. -ГЭ64. -* 3. -С.81-94. [10].Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. -Ы.: ГИТТЛ, 1957. -518 с.

Ш].Смирнов В.М. Физика слабоионизированного газа. М.: Наука, 1972. -416 С.

(121.Eraser R.B., Robben F., Tolbot L. Flow properties oi a partially Ionized free Jet expenslon // Phys. Fluids. -1971. -V.14, Л 11. -P.2317-2327.

[13].Hettche L.R., Tuclcer Т.Й., Schritmpf J.T. et. al. Machanical response and thermal coupling of metallic targets of high Intensity 1.06 ¡дп laser radiation // J. Appl. Phys. -1976. -V.47, M 4, -P.1415-1421.

[14].Седов Л.И. Механика сплошной среды. -М.: Наука, 1973. -Т.2. -584 с.

[153.Жиряков Б.М., Попов Н.М., Самохин А.А. Влияние плазмы на взаимодействие лазерного излучения с металлами // ЖЭТФ. -1978. -Т.75, Я 2(8). -С.494-503.

[16].Углов А.А., Селищев С.В. Автоколебательные процессы при взаимодействии концентрированных потоков анергии. -М.: Наука. -1987. -150 с.

[17].Самохин А.А. Фазовые переходы первого рода при действии лазерного излучения на конденсированные среда // Тр. ИОФАН. -М.: Наука. -1988. -Т.13. -С.3-98.

И8].Белавин В.А., Голуб В.В., Набоко И.М. Структура импульсных струй газов, истекающих через сверхзвуковые сопла // ПМТФ. -1979. -Ji I. -С.56-65. C19].Cline М.С., Wilmoth R.G. Computation of the space shuttle solid rocket booster nozzle start-up transient flow // AIAA Paper. -1984. -M 84-0462. '-16p. £203 .Ashkenas, H.S., and Sherman P.S. The structure and utilisation of supersonic free Jets in low density wind tunnel // Rarefied Gas Dynamics (4 Int. Sympos.). -N.-Y.: Academic Press, 1966. -V.2. -P.84-105. [213.Быстров П.Й., Масленников А.А., Пухов В.В., Синявский В.В. О возможности использования космического аппарата с ЯЭУ и ЭРДУ для решения очистка космоса от мусора // Техногенное засорение космоса. Междунар. конф. -Москва: ИКИ РАН. -1992.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

I. Кузнецов Л.И., Ярыгин В.Н. Некоторые результаты исследования высокотемпературной недорасширенной струи // 3 Всесоюзн. конф.

по динамике разреженных газов. Новосибирск: ИТПМ СОАН СССР. 1969. -Т.6. -С.25-30.

2. Кузнецов Л.И., Ярыгин В.Н. Тормозное рентгеновское излучение газовых мишеней и его использование для измерения локальной плотности газа // Аппаратура и метода рентгеновского анализа. -Л.: Машиностроение. -1972. -Т.Н. -0.172-179.

3. Кузнецов Л.И., Ярыгин В.Н. Измерение локальной плотности в высокотемпературных газовых штоках с помощью электронного пучка // Вопросы гидродинамики и теплообмена. -Новосибирск: ИГФ СОАН СССР. -1972. -С.225-238.

4. Кузнецов Л.И., Ребров А.К., Ярыгин В.Н. Газодинамическая структура сверхзвуковой струи аргона в вакууме // Тр. 5 Всес. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. -Новосибирск: ИГФ СОАН СССР. -1972. -Т.2. -С.63-66.

5. Kuznetsov 1.1., Rebrov A.K., Jarygin V.N. Diagnostics of Ionized gas by electron beam In X-ray spectrum range // XI Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. -Prague, 1973. -P.4-66.

6. Кузнецов Л.И., Ярыгин В.Н. Применение тормозного и характеристического рентгеновского излучения, возбужденного электронным пучком, для измерения локальной плотности разреженного газа и плазмы // Экспирементальные метода в динамике разреженных газов. -Новосибирск: ЙТФ СОАН СССР. -1974. -С.150-173.

7. Косинов В.А., Кузнецов Л.И., Шарафутдинов Р.Г. Экспериментальная техника электронно-пучковых ' методов диагностики // Экспериментальные метода в динамике разреженных газов. -Новосибирск: ИГФ СОАН СССР. -1974. -С.82-87.

8. Кузнецов Л.И., Ребров А.К., Ярыгин В.Н. Высокотемпературные струи аргона низкой плотности за звуковым соплом // ПМТФ. -1975. ~Л 3. -С.82-87.

9. Жаркова Н.Г., Кузнецов Л.И., Ребров А.К., Ярыгин В.Н. Измерение плотности разреженного газа и плазмы с помощью электронного пучка // ТВТ. -1976. -J6 I. -С. 17-20.

10.Кузнецов Л.И., Ярыгин В.Н. Электронно-рентгеновский метод измерения локальной плотности разреженного газа и плазмы по характеристическому излучению // Труды 4 Всес. конф. по динамике разреженных газов. -М.: ЦАГИ. -1977. -С.672-677.

П.Кутателадзе С.С., Кузнецов Л.И., Завьялов В.И. Вакуумная импульсная камера "ВИКА" // Тез. У1 Всес. конф. по динамике разреженных газов. -Новосибирск: ИТФ СОАН СССР. -1979. -СЛ47.

12.Кузнецов Л.И., Куснер Ю.С., Ленгран Ж.-К., Палопеженцев С.А., Сухинин Г.И. Исследование плазмы диагностического электронного пучка // Диагностика потоков разреженного газа. -Новосибирск:

ИТФ СОАН СССР. -1979. -С.65-90.

13.Кузнецов Л.И., Новопашин С.А. Метода исследования коцентраций разреженного газа и плазмы // -Новосибирск: ИТФ СОАН СССР. -1979. -С.91-122.

14.Кузнецов Л.И., Куснер Ю.С., Ленгран Ж.-К., Палопекенцев С.А., Сковородко П.А., Сухинин Г.И. Плазма электронного пучка и вторичные электроны // Физические методы исследований прозрачных неоднородностей -М.: Дом научно-технической пропоганды. -1979. -С.20-22.

15.Кутателадзе С.С., Кузнецов Л.И., Ребров А.К., Попов Ю.С. Авторское свид. № 801695. -1981. -14с.

IS.Gorchakova N.G., Kuznetsov L.I., Jarygln V.N. Electron Beam diagnostics of high temperature rarefied, gas flows // Rarefied Gas Dynamics: Proc. 13th Intern. Symp. -H.Y.,L.: Plenum Press, 1985. Vol.2. -P.825-832.

17.Кузнецов Л.И. Исследование импульса давления в светоэрозион-ном факеле // Лазерная технология. -Вильнюс: ИФ АН Лит.ССР. -1988. -№ 6. -С.199-200.

18.Кузнецов Л.И. Газодинамический механизм осцилляций давления на мишенях при импульсном лазерном облучении // Применение лазеров в народном хозяйстве. -Шатура: НИЦТЛАН. -1989. -С.87-88.

19.Воронель Е.С., Кузнецов Л.И. Ослабление лазерного импульсного излучения в светоэрозионном факеле // Применение лазеров в народном хозяйстве. -Шатура: НИЦТЛАН. -1989. -C.I50-I5I.

20.Кузнецов Л.И. Осцилляции давления на мишени при импульсном лазерном облучении // ЖТФ. -1990. -Т.60, & 8. -C.I90-I92.

21.Кузнецов Л.И. Экранирование лазерного импульсного излучения в светоэрозионном факеле металлических и диэлектрических мишеней // ЖПС. -1990.' -Т.53, » 6. -С.915-919.

22.Кузнецов Л.И. Калориметрирование мишеней, облучаемых импульсным лазерным излучением // Теплофизика кристаллизации и высокотемпературной обработки материалов. -Новосибирск: ИТФ СОАН СССР. -1990. -С.I17-123.

23.Кузнецов Л.И. Энергобаланс взаимодействия лазерного излучения с мишенью // Лазерная технология. Вильнюс: ИФ АН Лит.ССР. -1991. 10. -С.22-24.

24.Булгакова Н.М., Кузнецов Л.И. Силовое воздействие на присопло-вую поверхность импульсных струй // Тез. II Всес. конф. по динамике разреженных газов. Л.: ЛМИ. -1991. -С.198.

25.Кузнецов Л.И. Взаимодействие светозрозионного факела с окружающей средой // Изв. АН СССР. сер. физическая. -1991. -Т.55, J6 6. -С .1163-1167.

• «

26.Воронель E.G., Кирювшн Л'.П., Кузнецов Л.И. Измерение импульсного давления на мишенях при образовании светоэрозионного факела // Сиб. физ.-тех. к. -1991. -» 2. -С.75-79.

27.Кузнецов Л.И. Передача импульса давления на металлические и диэлектрические мишени, облучаемые неодимовым лазером в режиме свободной генерации // ПМТФ. -1991. -J6 6. -С.20-23.

28.Kuznetsov L.I. Screening properties of the erosion torch, and. pressure oscillations at a laser - irradiated target // SPIE. -1991. -Vol.1440. -P.222-228.

29.Кузнецов Л.И. Энергобаланс взаимодействия миллисекундного импульсного лазерного излучения с мишенью // Сиб. физ.-тех. ж. -1992. I. -С.12-15.

30.Кузнецов Л.И. Прохождение излучения через лазерную плазму и пульсации давления на мишени // Сиб. физ.-тех. к. -1992. -& I. -C.IQ7-II2.

SI.KuznetsoY L.I., Jarygln V.N. Laser-reactive method oi cleaning the space environment irom small-scale debris // Intern. Coni. Problems of Spacecraft-Environments Interaction. -Irkutsk: Russian Academy of Sciences. -1992. -P.52.

32.Войтенко В.А., Кузнецов Л.И. Маятниковый метод тарировки пьезодатчиков // ПТЭ. -1992. 4. С.189-191.

33.Булгакова Н.М., Кузнецов Л.И. Газодинамика импульсных струй и осцилляции давления на облучаемой лазером мишени // ПМТФ. -1992. -J& 6. -С.14-22.

34.Булгакова Н.М., Кузнецов Л.И. Влияние параметров импульсного эрозионного факела на пульсации давления // ПМТФ. -1992. -Л 6. -С.28-32.

35.Kuznetsov L.I., Yarygin V.N. Laser method of space refuse removal // Orbital Debris Monitor. -1992. -V.5, Л 2. -P.23-24.

36.Булгакова Н.М., Кузнецов Л.И. Влияние внешних условий на формирование пульсаций давления на мишени, облучаемой лазером // ПМТФ. -1993. -M I. -С.65-69.

37.Булгакова Н.М., Кузнецов Л.И. Нагрев металлических и диэлектрических образцов импульсным лазерным излучением // ТВГ. -1993. -Т.31, Л 5. -С.712-716.

38.Кузнецов Л.И. Импульс отдачи на твердую поверхность в режиме развитого лазерного испарения // Квантовая электроника. -1993. -Г.20, » 12. -C.II9I-II95.

ЗЭ.Кузнецов Л.И. Датчик для одновременного измерения прохождения лазерного излучения через эрозионный факел и давления на облучаемую поверхность // ПТЭ. -1994. -J& I. -C.I44-I48.

40.Bulgakova N.M., Kusnetsov L.I. Gasdynamic model of pressure

pulsation on solid surface Irradiated by laser Impulse: experimental and numerical results // SPIE. -1994. -Vol.211.9. -P.195-203.

41.Kuznetsov L.I., Yarygin V.N. Laser-Jet method of cleaning debris from space // SPIE. -1994. -Vol.2121. -P.294-301.

42.Кузнецов Л.И. Использование серийного электрооборудования на манипуляторах, вакуумных установок // ПТЭ. -1994. -J6 5. -С.171-175.

43.Кузнецов Л.И., Ярыгин В.Н. Лазерно-реактивный метод очистки космического пространства от малоразмерного мусора // Квантовая электроника. -1994. -Г.21, 3 6. -С.600-602.

44.Воронель Е.С., Кузнецов Л.И. Парфенов М.В., Ярыгин В.Н. Электронно-рентгеновский метод измерения локальной плотности в импульсных эрозионных факелах // Квантовая электроника. -1994. -Т.21, 36 II. -C.I087-I089.

45.Bulgakova N.M,, Kuznetsov L.I. Role of gas dynamics in the formation of pressure pulsations on a solid surface irradiated by laser impulse // Proc. XIX Intern. Symp. RGD. England, Oxford. -1994.

46.Kuznetsov L.I., Yarygin V.N. Method of dangerous near-Earth objects removal and active protection of inhabited station // Intern. Gonf. on Space Protection of the Earth. Russia. -Snezhlnsk. -1994. -Part 2. -P.66-71.

47.Кузнецов Л.И. Эффекты неустойчивости импульсного светоэрозион-ного факела // ЖГФ. -1994. -Т.64, Ш 12. -C.I29-I3I.