Введение к работе
з
Актуальность и цели работы. Развитие новой техники, в частности, зерхзвуковои авиации и ракетостроения поставило около четырех гсятилетий тому назад перед учеными проблемы, связанные с сследованием течений газа в условиях нарушения термодинамического івновесия. Более того, необходимо было изучать состояния далекие от івновесия. В последние годы интерес к исследованию подобного рода эстояний был обусловлен бурным развитием лазерной техники, задачами отофизики, фотохимии,' физики горения и взрыва, проектами зсмических полетов к планетам солнечной системы.
Многочисленные работы, посвященные экспериментальному хледованию неравновесных состояний газовой среды, проведены в яовиях, когда температура поступательных степеней свободы значительно превышает характеристическую колебательную мпературу (или ниже ее). В этом случае реализуются адиабатические іударения. Вероятность возбуждения колебательного состояния мала, т.е. шолняются ограничения, используемые в теории Ландау-Теллера. :ория и эксперимент дают хорошо согласующиеся результаты.
Существовавшие к моменту постановки настоящей работы методики : позволяли проводить исследования в наиболее интересной области адиабатических столкновений, когда время соударения молекул близко іериоду колебаний или меньше его.
Кроме того, поскольку газы, в которых проводились исследования, іеют относительно высокие характеристические колебательные мпературы, процессы диссоциации и колебательной релаксации в ученных температурных интервалах протекают независимо друг от уга. Поэтому оказалась совершенно не изученной проблема совместного отекания процессов диссоциации и колебательной релаксации.
Для решения указанных выше задач было необходимо разработать вые методы исследования, разработать и создать новые
экспериментальные установки и приборы. Методом, позволивши провести исследования колебательной релаксации в условия неадиабатических столкновений, а также изучить процессы колебательно релаксации и диссоциации в условиях взаимного влияния, ста предложенный в данной работе метод многоканальной абсорбционно спектроскопии. Для исследования этих проблем в данной работе качестве модельного газа использовались пары йода: малы колебательный квант и большая масса молекулы йода позволяю реализовать за фронтом ударных волн требуемый температурны диапазон. Необходимость получения ударных волн в парах йода заставил создать новую экспериментальную установку - подогревную ударну] трубу.
Развитие лазерной техники поставило на повестку дня разработк научных основ создания мощных технологических лазеров. Эт многопараметрическая проблема включает в себя исследование ка научных, так и инженерных задач. Важнейшая из научных задач осуществление и исследование однородного тлеющего разряда с высоким удельными энергетическими характеристиками в большом объеме условиях скоростного газового потока при повышенных давлениях. Е составляющими являются исследование взаимного влияния тлеющег разряда и газового потока, в частности, выяснение роли турубулентност в стабилизации разряда, исследование влияния физико-химически процессов в разрядной плазме на устойчивость, энергетические кинетические характеристики разряда. Следующей научной задаче является обеспечение эффективного использования разрядной плазмы качестве активной среды технологического лазера с целью повышени электрооптического КПД устройства и получения высококачественног лазерного излучения. Решение этой задачи связано с анализом работ различных типов лазерных резонаторов и проведением соответствующег экспериментального исследования.
Успешное решение научных и инженерных задач привело к созданию шзерной установки "ЦИКЛОН" с выходной мощностью до 12 кВт и зысоким качеством излучения. Лазерное излучение с такими трактеристиками позволило осуществить исследование нового физического явления - непрерывного оптического разряда (НОР) в ітмосферном воздухе. Интерес к этому явлению в условиях газового тотока связан со значительным расширением в последнее время гехнологических применений лазерного излучения, а также с обсуждением юзможностей использования оптического плазматрона в качестве эакетного двигателя и для преобразования на борту космического корабля :ветовой энергии, посылаемой с Земли, в электрическую. Высокая емпература НОР в сочетании с легким рабочим газом может обеспечить включительно высокие скорости истечения плазмы из будущего (вигателя и удельные импульсы. Во многих технологических применениях гощного лазерного излучения (сварка, наплавка и т.п.) НОР развивается в іарах обрабатываемого материала и является поглощающим [репятствием на пути лазерного пучка. Поэтому проблема устойчивости ЮР в атмосферном воздухе при достаточно высоких уровнях мощности азерного излучения является актуальной. Кроме того, эксперименты с птическим плазматроном дают возможность изучения волны светового орения в стационарных условиях, что значительно упрощает сравнение езультатов с теоретическими моделями.
Поскольку НОР является мощным источником излучения в ИК, идимом и УФ диапазонах, можно ожидать, что такие (киловаттные) отоки излучения приведут к существенному изменению характеристик кружающей НОР газовой среды, в частности, ее проводимости. Поэтому кспериментальное и теоретическое изучение проблемы является ктуальным. Для экспериментального изучения проблемы была азработана и создана установка, а также предложена и реализована етодика измерений.
Выносимые на защиту положення и их научная новизна:
1. Развитие (совместно с Н.А.Генераловым, В.А.Максименко і:
В.Я.Овечкиным) и примененимость для изучения колебательное
релаксации как в области а>т<л>.\, так и при сота<\ и в условиях взаимного
влияния процессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул экспе
риментального метода многоканальной абсорбционной спектроскопии
Метод позволяет в неравновесных условиях одновременно определять
профили колебательной температуры, суммарной плотности газовой
смеси и плотности молекулярной компоненты, а также вклад отдельных
колебательных уровней в коэффициент поглощения, т.е. следить за
заселенностью отдельных колебательных состояний.
-
Экспериментальная установка для получения ударных волн в агрессивной газовой среде (пары йода и их смеси с инертными газами) и изучения процессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул за фронтом ударной волны.
-
Результаты систематического экспериментального исследования кинетики обмена энергии между поступательными и колебательными степенями свободы молекул йода в различных газовых системах в широком температурном интервале и, в частности, впервые полученные данные как е области перехода от адиабатических к неадиабатическим столкновениям, так и в режиме неадиабатических соударений.
-
Результаты систематического экспериментального исследования процессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул йода в условиях из взаимного влияния в различных газовых системах при изменении е широком диапазоне определяющих параметров.
5.Экспериментальный комплекс для изучения продольного несамостоятельного неравновесного разряда с высокими удельными энергетическими характеристиками в условиях скоростного газового потока при широком изменении определяющих параметров активной среды и потока и оптических характеристик лазерного излучения.
3.Метод получения однородного несамостоятельного неравновесного
эазряда в больших объемах активной среды с высокими удельными
энергетическими характеристиками, основанный на применении
эезэлектродных емкостных пробивающих электрических импульсов для
деполнительной однородной по объему разрядной камеры ионизации
'аза.
1. Результаты систематического экспериментального исследования
іродольного несамостоятельного тлеющего разряда при изменении в
пироком диапазоне определяющих параметров: состава газовой смеси,
эаспределения средней скорости потока по сечению канала, средней
жорости потока, степени турбулентности потока; амплитуды,
глительности и частоты следования пробивающих импульсов. Результаты
ізучения электронно-молекулярных реакций в самостоятельном и
іесамостоятельном тлеющих разрядах, теоретического рассмотрения
тгрева газа через колебания при медленной и быстрой релаксации.
і .Экспериментально обнаруженное явление "деформации" одномерных
юкальных спектров скорости турбулентного потока под влиянием
леющего разряда.
'.Разработка научных основ создания технологических лазеров и
іспользование полученных результатов при создании лазеров серии
Лантан".
0.Результаты экспериментального исследования устойчивости НОР в
тмосферном воздухе: определение порогов существования НОР,
бнаружение колебательного режима горения НОР.
1.Обнаружение заряженных частиц в окрестности НОР в инертных газах.
4еханизм их рождения.
Практическая значимость работы
Разработанные в диссертации методы исследования колебательной елаксации в условиях неадиабатических соударений и взаимного влияния роцессов возбуждения колебаний и термического распада молекул, рганизации несамостоятельного тлеющего разряда в больших объемах
активной среды при высоких удельных энерговкладах, осуществления исследования непрерывного оптического разряда в атмосферном возду: позволили получить новые результаты, представляющие значительнь интерес в практических приложениях: в аэродинамике сверхзвуковь скоростей, космической технике, лазерной технике, при разработке использовании лазерных технологий, при распространении сильнь ударных волн, ионизующих газовую среду, при переносе излучения в газ; и плазме, в фотохимии.
Результаты были получены на разработанных, сконструированны собранных и отлаженных уникальных экспериментальных установка Некоторые из этих установок, в частности многоцелевой лазерный стеї "ЦИКЛОН", послужили базой для разработки научных основ создаш мощных технологических лазеров с продольным несамостоятельны тлеющим разрядом и решения сложной проблемы создані технологической лазерной установки "ЛАНТАН".
Результаты исследования порогов существования непрерывно] оптического разряда и его устойчивости при воздействии газового потої в атмосферном воздухе находят применение при разработке лазернь технологий: резки, сварки, термоупрочнения, пробивки отверстий и т.д.
Результаты исследования воздействия непрерывного оптическої разряда на окружающий его газ могут найти применение в космическс технике и аэродинамике гиперзвуковых скоростей: структура и скорое сильной ударной волны зависят от переноса резонансного излучения.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались і конференциях:
XII International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Berlin, September 1977.
4th -International Conference on Lasers and their Applications. Leipzig, 1981
Всесоюзное совещание по применению лазеров в технологии машиностроения. Звенигород, 1982.
International Conference on Lasers "82". USA, New Orlean, 1982.
Ломоносовские чтения в МГУ разных лет.
Результаты диссертации докладывались на семинарах в ИПМех DAH, в институте механики МГУ, на физическом факультете МГУ, в Ризическом институте РАН, на секции № 1 Межведомственного научно-технического совета "Мощные технологические лазеры" по проблемам іазерной технологии.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя раздел 'Общая характеристика работы", три части, заключение и список ситературы (271 наименование), изложенные на 229 страницах, содержит г8 рисунков и одну таблицу.