Новая модель улучшит контроль над полетами на сверхзвуке

Ученые из Казани и Санкт-Петербурга разработали теоретическую модель, которая описывает процесс формирования нитевидных микроволновых разрядов в газах. В этом случае газ нагревается до температур порядка 830°С и выше, и в нем формируется большое количество заряженных и возбужденных частиц. Такое явление можно использовать в аэродинамике и космонавтике, чтобы воздействовать на потоки газа вблизи летательных аппаратов.


По словам ученых, это поможет управлять полетом, так как подобные структуры влияют на скорость и траекторию движения аппарата.

Вблизи летательных аппаратов, движущихся со сверхзвуковой скоростью, например, спускаемых на поверхность Земли или других планет, возникают зоны точечного нагрева и изменения плотности газа, которые могут влиять на направление и скорость движения объекта. Чтобы контролировать движение аппарата, потоками нагретого газа нужно уметь управлять. Это можно делать с помощью плазменных структур — заряженных газовых областей, — сформированных с помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) разрядов на некотором расстоянии от поверхности летательного аппарата.

Есть два основных режима СВЧ-разряда — диффузный и нитевидный. В первом случае заряженные частицы распределены в виде облака, а во втором — стягиваются в тонкую нить. Исследования показали, что именно во втором режиме СВЧ-разряд приводит к максимальному нагреву в области формирования разряда и к снижению плотности газа перед летательным аппаратом, что облегчает его движение.

Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) с коллегами из Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ (Казань) разработали теоретическую модель, описывающую формирование плазмы СВЧ-разрядов в молекулярных газах. Авторы исследовали переход из диффузной формы разряда в нитевидную в азоте. Азот выбрали в качестве плазмообразующего газа, поскольку это один из основных компонентов воздуха.

При построении модели авторы использовали систему большого числа математических уравнений, которые описывают все основные параметры разряда в газе. В расчетах учитывались взаимодействия между молекулами газа, параметры электромагнитного поля, изменения плотности и температуры газа в области формирования разряда. Моделирование показало, что диффузный разряд сначала вытягивается в виде «облака» заряженных и возбужденных частиц, а затем переходит в форму нитевидного плазмоида — более плотного «сгустка». При таком переходе резко возрастает концентрация заряженных частиц преимущественно вдоль центральной оси плазмоида.

Модель показывает, что по мере роста плазмоида его температура увеличивается от 185°С до 830°С за 10-15 микросекунд. Дело в том, что при взаимодействии возбужденных частиц азота выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева газа, снижая его плотность.

В итоге авторам удалось описать процесс формирования СВЧ-разрядов, а также изменения, которые происходят в газе при возникновении в нем нитевидного разряда. Все полученные результаты помогут в разработке так называемых плазменных актуаторов — устройств для управления газовыми потоками у поверхности летательных и спускаемых космических аппаратов.

«Предложенная модель интересна как с фундаментальной точки зрения, поскольку позволяет описать, как меняются параметры СВЧ-разрядов, и воспроизвести их различные формы, так и с прикладной, потому что помогает прогнозировать оптимальные условия для снижения плотности газа в сверхзвуковых потоках. Это даст возможность управлять скоростью и направлением движения летательных аппаратов, а значит, снизить вероятность их крушения. В будущем мы планируем дополнить предложенную модель, учтя в ней движение частиц газа, содержащего молекулы кислорода. Это позволит точнее описать поведение разрядов в воздухе», — рассказал участник проекта Алмаз Сайфутдинов, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.