Численное и экспериментальное исследование динамики образования свч-разряда с безыскровой лазерной инициацией

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Разработка, усовершенствование и научное исследование плазменного управления сверхзвуковыми потоками при обтекании тел являются актуальной задачей. Один из способов осуществить такое управление – это использование СВЧ-излучения с получением плазмы. Но при этом возникают проблемы: зависимость от появления редких электронов (осечки, смещение), долгий переход к филаментной фазе, высокий расход мощности излучения при высоких давлениях (и вхолостую до появления филамента). Известно, что лазерная инициация решает указанные проблемы СВЧ-плазмы. Однако недостаточно исследована динамика зажигания и развития СВЧ-разряда с лазерным следом без искры. В рамках данной работы проводится численное моделирование зажигания подкритического СВЧ-разряда (СВЧ-поле – 2.0 кВ/см, частота – 9.6 ГГц, длина импульса – 2.5 мкс) при лазерном импульсе (100 мДж, длительность – 10 нс, 532 нм) без лазерной искры в рамках модели плазмы, в том числе учитывающей лазерное воздействие на среду, плазму и возникающие газодинамические процессы. Проведено сравнение с экспериментом, выполненным в камере Эйфеля (40–75 Торр, 290 К) с магнетроном МИ-505 и лазером Quantel Evergreen-200. Проверка (время зажигания, теневая съемка) показала хорошие результаты. Разряд зажигается без осечек из-за прогрева СВЧ-полем лазерного следа с крайне быстрым (сотни нс) достижением высоких температур (1500–6000 К) и разрежением в следе (в 5–10 раз). Такая новая разновидность плазмы потенциально перспективна для плазменного управления сверхзвуковым потоком.

About the authors

M. E. Renev

Saint Petersburg State University, Russia

Email: renevme@mail.ru

Y. V. Dobrov

Saint Petersburg State University, Russia

N. D. Osipov

Saint Petersburg State University, Russia

R. S. Khoronzhuk

Saint Petersburg State University, Russia

I. C. Mashek

Saint Petersburg State University, Russia

V. A. Lashkov

Saint Petersburg State University, Russia

References

  1. Bletzinger P., Ganguly B.N., Wie D.V., Garscadden A. Plasmas in High Speed Aerodynamics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. № 4. P. R33.
  2. Fomin V.M., Tretyakov P.K., Taran J.-P. Flow Control Using Various Plasma and Aerodynamic Approaches (Short Review) // Aerospace Sci. Technol. 2004. V. 8. № 5. P. 411.
  3. Knight D. Survey of Aerodynamic Drag Reduction at High Speed by Energy Deposition // J. Propuls. Power. 2008. V. 24. № 6. P. 1153.
  4. Russell A., Zare-Behtash H., Kontis K. Joule Heating Flow Control Methods for High-speed Flows // J. Electrostat. 2016. V. 80. P. 34.
  5. Starikovskiy A.Y., Aleksandrov N.L. Gasdynamic Flow Control by Ultrafast Local Heating in a Strongly Nonequilibrium Pulsed Plasma // Plasma Phys. Rep. 2021. V. 47. № 2. P. 148.
  6. Knight D., Kianvashrad N. Review of Energy Deposition for High-speed Flow Control // Energies. 2022. V. 15. № 24. P. 9645.
  7. Azarova O.A., Kravchenko O.V. The Use of Spatially Multi-component Plasma Structures and Combined Energy Deposition for High-speed Flow Control: A Selective Review // Energies. 2024. V. 17. № 7. P. 1632.
  8. Kolesnichenko Yu., Brovkin V., Azarova O., Grudnitsky V., Lashkov V., Mashek I. Microwave Energy Release Regimes for Drag Reduction in Supersonic Flows // 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. Reno, NV, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2002.
  9. Azarova O.A. Generation of Richtmyer–Meshkov and Secondary Instabilities During the Interaction of an Energy Release with a Cylinder Shock Layer // Aerospace Sci. Technol. 2015. V. 42. P. 376.
  10. Dobrov Y.V., Lashkov V.A., Mashek I.Ch., Khoron-zhuk R.S. Investigation of Heat Flux on Aerodyna- mic Body in Supersonic Gas Flow with Local Energy Deposition // 8th Polyakhov’s Reading: Proc. Int. Sci. Conf. on Mechanics. Saint Petersburg, Russia, 2018. P. 050009.
  11. Dobrov Y.V., Renev M.E., Lashkov V.A., Mashek I.Ch., Khoronzhuk R.S. Heat Flux on Streamlined Body Surface after Local Energy Input // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 1959. № 1. P. 012016.
  12. Anderson K., Knight D.D. Interaction of Heated Fi-laments with a Blunt Cylinder in Supersonic Flow // Shock Waves. 2011. V. 21. № 2. P. 149.
  13. Azarova O., Gvozdeva L. Control of Triple-shock Configurations in High-speed Flows over a Cylindrically Blunted Plate in Gases for Different Mach Numbers // Proc. Inst. Mech. Eng., Part G. 2018. V. 236. № 3. P. 448.
  14. Azarova O. Supersonic Flow Control Using Combined Energy Deposition // Aerospace. 2015. V. 2. № 1. P. 118.
  15. Азарова О.А., Грудницкий В.Г., Колесниченко Ю.Ф. Стационарное обтекание тел сверхзвуковым потоком газа, содержащим бесконечный тонкий разреженный канал // Матем. моделирование. 2006. Т. 18. № 1. С. 79.
  16. Golbabaei-Asl M., Knight D.D. Numerical Characterization of High-temperature Filament Interaction with Blunt Cylinder at Mach 3 // Shock Waves. 2014. V. 24. № 2. P. 123.
  17. Азарова О.А., Ерофеев А.В., Лапушкина Т.А. Сравнение плазменного и теплового воздействий на сверхзвуковое обтекание аэродинамического тела // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. № 8. С. 93.
  18. Lashkov V.A., Karpenko A.G., Khoronzhuk R.S., Mashek I.Ch. Effect of Mach Number on the Efficiency of Microwave Energy Deposition in Superso- nic Flow // Phys. Plasmas. 2016. V. 23. P. 052305.
  19. Кnight D., Azarova O., Kolesnichenko Y. Drag Force Control Via Asymmetrical Microwave Filament Location in a Supersonic Flow // 6th Europ. Symp. on Aerothermodynamics for Space Vehicles. Versailles, France: European Space Agency, 2008. P. 1.
  20. Kolesnichenko Y., Brovkin V., Khmara D., Lashkov V., Mashek I., Rivkin M. Fine Structure of MW Discharge: Evolution Scenario // 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: AIAA, 2003.
  21. Pai D.Z., Lacoste D.A., Laux C.O. Nanosecond Repetitively Pulsed Discharges in Air at Atmospheric Pressure – The Spark Regime // Plasma Sources Sci. Technol. 2010. V. 19. № 6. P. 065015.
  22. Лашков В.А., Добров Ю.В., Ренев М.Е., Машек И.Ч., Джайчибеков Н.Ж., Шалабаева Б.С. Исследование температурного поля газа в следе импульсного электрического разряда // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 4. С. 547.
  23. Usoskin I.G., Desorgher L., Velinov P., Storini M., Flukiger E.O., Butikofer R., Kovaltsov G.A. Ionization of the Earth’s Atmosphere by Solar and Galactic Cosmic Rays // Acta Geophys. 2009. V. 57. № 1. P. 88.
  24. Сайфутдинов А.И. Гидродинамические и гибридные модели электрических разрядов в газах и их приложения. Дис. … докт. физ.-мат. наук. Казань: КАИ, 2023. 592 с.
  25. Bulat P.V., Grachev L.P., Esakov I.I., Ravaev A.A. Threshold Field That Separates Domains of Subcritical and Deeply Subcritical Microwave Discharges Ignited on a Dielectric Surface // Tech. Phys. 2019. V. 64. № 1. P. 56.
  26. Bychkov D.V., Grachev L.P., Esakov I.I. Deeply Undercritical Microwave Discharge Excited by the Field of a Quasi-optical Electromagnetic Beam in a Supersonic Air Jet // Tech. Phys. 2009. V. 54. № 3. P. 365.
  27. Bulat P., Chernyshov P., Esakov I., Grachev L., Lavrov P. Multi-point Ignition of Air/Fuel Mixture by the Initiated Subcritical Streamer Discharge // Acta Astronautica. 2022. V. 194. P. 504.
  28. Афанасьев С.А., Бровкин В.Г., Колесниченко Ю.Ф. Инициация СВЧ-разряда посредством лазерной искры // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. № 14. P. 73.
  29. Афанасьев С.А., Бровкин В.Г., Колесниченко Ю.Ф., Машек И.Ч. Влияние газодинамических процессов на структуру и пороги СВЧ-разряда при инициации лазерной искрой // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. № 15. P. 40.
  30. Khoronzhuk R.S., Karpenko A.G., Lashkov V.A., Potapenko D.P., Mashek I.Ch. Microwave Discharge Initiated by Double Laser Spark in a Supersonic Airflow // J. Plasma Phys. 2015. V. 81. № 3. 905810307.
  31. Brovkin V., Afanas’ev S., Khmara D., Kolesnichenko Y. Experimental Investigation of Combined Laser-DC-MW Discharges // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: AIAA, 2006.
  32. Kolesnichenko Y., Khmara D., Afanas’ev S. Optimization of Laser-pulse-controlled MW Energy Deposition // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: AIAA, 2007.
  33. Saifutdinov A.I., Kustova E.V. Dynamics of Plasma Formation and Gas Heating in a Focused-microwave Discharge in Nitrogen // J. Appl. Phys. 2021. V. 129. № 2. P. 023301.
  34. Гончаренко А.М. Гауссовы пучки света. Минск: Наука и техника, 1977. 144 c.
  35. Федоров В.Ю., Кандидов В.П. Нелинейно-оптическая модель воздушной среды в задаче о филаментации фемтосекундных лазерных импульсов различной длины волны // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105. № 2. С. 306.
  36. Itikawa Y., Ichimura A. Cross Sections for Collisions of Electrons and Photons with Atomic Oxygen // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1990. V. 19. № 3. P. 637.
  37. Lee L.C., Smith G.P. Photodissociation and Photodetachment of Molecular Negative Ions. VI. Ions in O2/CH4/H2O Mixtures from 3500 to 8600 Å // J. Chem. Phys. 1979. V. 70. № 4. P. 1727.
  38. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 3-e изд. перераб. и доп. Долгопрудный: Интеллект, 2009. 736 c.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».