Содержание к диссертации
Введение
Часть первая. Моделирование лазерно-микроволнового разряда 23
Глава 1. Оптические разряды и их взаимодействие с потоком газа 23
1.1. Оптический пульсирующий разряд в актуальных задачах лазерной физики, газодинамики и акустики 23
1,2, Режимы оптических пробоев газа и проблема ввода энергии в газ 26
1,3. Ошический пульсирующий разряд 30
1А Лазсрно-микроволыовой разряд: 33
1.5. Плазменные и газодинамические возмещения, создаваемые оптическими разрядами в газе 34
1.6. Цель и задачи исследования 37
Глава 2 Модель оптимальных параметров лазерного излучения при формироваьши мощного ОПР 39
2.1. Постановка задачи при моделировании ОПР 39
2.2. Параметры лазерного излучения, оптимальные для формирования мощного ОПР. Модель .40
2.3. Примеры использования модели для расчета излучения и ОПР 46
2.4. Экспериментальное исследование влиянии давления газа и параметра лалерных импульсов на длину истер 47
Глава 3. Моделирование лазерно-микроволнового разряда . 52
3.1 Постановка задачи в эксперименте по лабораторному моделированию лазерпо-микроволыового разряда в газе 52
3.2 Экспериментальное исследование формирования я распада лазерных искр в воздухе и арюне 56
3.2.1 Схема эксперимента 56
3.2.2. Формирования лазерной искры и каверны при оптическом пробое газа 58
3.2,3. Энергетические характеристики оптического разряда .64
3.3 Моделирование лазерно-микроволнового разряда 66
3.3.1. Схема подвода СВЧ излучения к оптическому разряду и регистрации эффектов взаимодействия 66
3.3.2. Динамика взаимодействия СВЧ излучения с распадающейся лазерной плазмой 69
3.4 Модель формирования лазерпо-микроволиового разряда 77
3.4.1. Плазменный капал, создаваемый движущимся оптическим пульсирующим разрядом 77
3.4.2. Микроволновой разряд в лазерной плазме 83
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. Взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом на основе механизма объединения ударных волн 83
Глава 4 Математическая модель, используемая для компьютерного моделирования возмущений, создаваемых: ОПР 88
4.1. Математическая модель движущеюся ОПР 88
4.2. Разностная схема численного решения модели 91
4.3. Тестирование модели и сравнение с экспериментальными данными 94
Глава 5, Исследование ударных воли, создаваемых лазерной искрой 101
5.1. Параметры подобия для ударных волн 102
5.2. Моделирование объединения ударных волн для неподвижного ОПР 107
5.3. Аналитические выражения для параметров УИ и каверны
лазерной искры 110
5.4, Экспериментальное исследование ударных волн при пробое газа излучением
ССЪ-лазера 113
5.5. Фаза сжатия и (R-1) диаграмма ударных волн, создаваемых лазерной искрой 116
Глава 6, Механизм объединения ударных волн, создаваемых оптическим пульсирующим разрядом 123
С,1. Схема формирования квазистационарной волны при движении ОПР с постоянной скоростью 126
6.2. Влияние мощности и скороет ОПР на структуру хтштт стационарной волны 129
6.3. Критерии объединения ударных волн, создаваемых движущимся ОПР 134
6.4. Экспериментальное исследование эффективности формирования ударных
воли оптическим пульсирующим разрядом 137
6.5. Модель сцабилыюй генерации ударных волн 145
6.6. Критерии механизма объединения волн в различных газах 156
6.6.1. Рассмотрение механизма на основе R-t диаграмм 157
6.6.2. Параметры подобия и критерии объединения УВ в различных газах 165
6.7. Свойства юшистациопарпой волны 170
6.7.1. Динамика формирования квазистационарной волны 171
6,7.2. Параметры подобия 178
6.73. Давление и длина квазистационарной волны 185
Глава 7. Ускорение лазерной плазмы оптическим разрядом, движущимся в газе со сверхзвуковой скоростью 193
7.1, Схема ускорения лазерной плазмы 194
7.2. Ускорения плазмы одной искры при истечении в "вакуумный" канал 196
7.3. Модель формирования стационарной струи 207
7.4. Экспериментальна проверка эффекта ускорения 217
Глава 8. Экспериментальное исследование взаимодействия ОПР с газом на основе механизма объединения волн 222
8.1. Модель генерации ударных волн неподвижным ОПР, обоснование условий эксперимента 222
8.2, Схема эксперимента но исследованию воздействия неподвижного ОПР на окружающий газ 227
8.3. Генерация ультразвука и аномально интенсивного низкочастотного звука на * основе механизма объединения ударных волік Эксперимент 229
8.4.Обоснование лабораторного эксперимента но созданию движущегося
ОПР, в котором проявляется механизм объединения волн 240
8.5. Экспериментальное подтверждение МОБ и его критериев 249
8.6. Влияние механизма объединения волн на эффект Доплера 260
Глава 9. Механизма объединения волн в лазерном двигателем акустике 267
9.1. Модель лазерного воздушно-реактивного двигателя на осноис механизма
Ф объединения ударных волн 267
4 9.2. Оценка параметров ОЇЇР, создающего низкочастотный звук 277
Заключение 279
Список цитируемой Литературы
- Режимы оптических пробоев газа и проблема ввода энергии в газ
- Примеры использования модели для расчета излучения и ОПР
- Схема подвода СВЧ излучения к оптическому разряду и регистрации эффектов взаимодействия
- Тестирование модели и сравнение с экспериментальными данными
Введение к работе
Актуальность Диссертация посвящена исследованию взаимодействия оптического пульсирующего разряда (ОПР) с газом на основе механизма объединения ударных воли (МОВ), который выявлен диссертантом. Фундаментальное значение МОВ состоит в том, что механизм охватывает широкий класс процессов взрывного характера - действует в разных средах, при различной энергии и природе источника ударных волн (УВ). МОВ - основа для решения ряда задач л проблем в механике я физике: генерация низкочастотных волн в газе и плазме с магнитным полем; повышение в несколько раз эффективности лазерного двигателя; управление полетом сверхзвуковых тел; формирование потока плазмы в свободном газовом пространстве; зондирование Земли точечными зарядами.
Суть МОВ - преобразование энергии высокочастотных процессов в низкочастотные квазисталионарные волны (KB) - область повышенной плотности среды. В отличие от УВ; длипа KB линейно зависит от затрат энергии на ее создание, давление в KB максимально на заднем фронте, распределение параметров постоянно во времени. Наибольшие перспективы МО В имеет н качестве нового метода эффективной генерации низкочастотных воли с использованием импульсыо-периодического (И-П) лазерного излучения. Схема состоит Б следующим. И-П лазерное излечение с длительностью импульсов - 1 МКС создает лазерные искры в движущемся фокусе или фокус неподвижен, а лазерное излучение поглощается в потоке газа. Лазерная искра и УВ ею создаваемая, хорошо исследованы [1]. Повое качество возникает, если частота f повторения импульсов соответствует диапазону резонансных частот МОВ, который зависит от скорости движения фокуса. KB формируется в результате объединения УВ, создаваемых многими лазерными искрами. Такой тип нелинейного взаимодействия можно назвать оптическим пульсирующим разрядом (ОПР). Другое свойство ОПР - при f- 20 - 100 кГц [шазма искр не распадается за время l/f; движущийся ОПР создает плазменный канал. В этом случае ОПР имеет признаки непрерывного оптического разряда (НОР) [1], В отличие от НОР, що давление выровнено с окружающим газом, в ОПР давление пульсирует с частотой f и достигает в десятков атмосфер, НОР горит при малых скоростях газового потока. ОПР может ОЬІ ІЗ неподвижным иля перемещается с большой, в том числе, сверхзвуковой скоростью. Актуальность создания модели МОВ связана с тем. что ОІІР и МОВ создают R окружающем газе ранее неизвестные эффекты. Например, уже при сравнительно малой скорости движения 011Р перестает проявляться эффект Допяера, возникают инфра- ультразвуковые поля с управляемым спектром или формируется интенсивная плазменная струя и УВ (аналог полета ракеты). Воздействие ОПР на окружающий газ сильное ( 30 % от мощности лазерного излучения).
Начиная с семидесятых годов прошлого века, изучалась возможность использования лазерного излучения для управления структурой сверхзвукового потока газа. Для снижения аэродинамического сопротивления предлагалось использовать плазменные эффекты [2]. вводить энергию [3, 4] или создавать тонкий канал [5] перед сверхзвуковым гелом- Существовало оіраничение -отсутствовал механизм переноса фронта оптического разряда со скоростью 100 -3000 м/с. Проблему удалось преодолеть в 1992 году в совместных исследованиях ШІФ СО РАН и ИТПМ СО РАН, выполненных: под руководством А.Г. Попомарепко и П.К. Третьякова. Впервые осуществлен квазинепрерывный ввод Pill лазерного излучения в сверхзвуковой ноток газа [6]. При частоте f - 50 кГп ОПР, горящий перед моделью тела, снижал сопротивление [7], наблюдались УВ. тепловой след. Ю. 11. Райзером и J І. Мирабо предложена модель лазерной. воздушной иглы [8], создаваемой периодическими лазерными искрами. В экспериментах Юрьева А.С [9] наблюдалось изменение структуры сверхзвукового потока при зажигании нескольких мошных лазерных искр перед моделью тела-Работы 6S 7] выполнялись в рамках Государственных программ "Ивлет" и Планета1 , в которых диссертант принимал участие в качестве ответственного исполнителя от ИНФ по "Планете".
Новизну и значение МОВ и ОПР покажем па примере проблемы генерации низкочастотных воли. Для достижения высокого КПД необходимо использовать устройства, имеющие большие размеры и/или массу, энергию. Так, длина УВ слабо зависит от энергии искры или взрыва. Длина антенн сравнима с длиной волн. Альтернативные методы, например, амплитудной модуляции имеют низкий КПД.
В работах [10, И] изучался звук, создаваемый при облучении поверхности жидкости цугом лазерных импульсов. Бугшииым Ф.В. высказывалась идея о возможности генерации инфразвука - спектр цугов волн в жидкости может содержать низкочастотную компоненту на частоте повторения пух ОЙ К Однако при амплитудной моду.іяции доля мощности на частоте Б, таї; же как и в методе генерации разностной частоты двух сигналов, мала Ьа Б/f 0.001, где f »F -частота повторения импульсов в цуге. Отличие ОНР и МОВ в том, что доля мощности на частоте Б растет - і" и может достигать Ьа 1. Несущественно ограничение, связанное с длиной излучателя. Функция ОПР - создавать ударные волны. Для этою не нужны большие размеры ОПР, необходима высокая плотность энергии в искрах. УВ объединяются в окружающем газе. В [10, М]? а также в работах по транспортировке мощного лазерного излучения в атмосфере [12]. условия для проявления МОИ отсутствовали.
В связи с созданием мощных лазеров с частотой повторения импульсов 100 кГц [13] тема диссертации актуальна для азрокосмических приложений. По инициативе Аполлонова В,В, и совместно с ним в диссертации разработан новый подход к решению проблемы лазерного двигателя на основе ОКР и МОИ.
Таким образом, ОПР и МОВ - не только новый механизм, но и уникальный инструмент для решения ряда проблем. В связи с этим, актуальна задача продвижения в диапазон больших мощностей ОПР. Совместно с А.Г. Пономарешсо диссертант предложил решение - комбинированное использование лазерного и СВЧ излучения, генераторы которого имеют высокий КПД, Движущийся ОПР создает плазменный канал, в котором поглощается более мощное СВЧ излучение. Для управления полетом сверхзвуковых тел важно, что область поглощения лазерного и СВЧ излучения локализована и может двигаться в газе с большой скоростью. Ранее лазерная искра использовалась для поджига СВЧ разряда, который распространялся за пределы искры [14]. Поглощение энергии СВЧ может сопровождаться сильными газодинамическими возмущениями [14, 15], что является необходимым условием проявления МОВ.
• Цель работы Исследование нового явления - взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом на основе механизма объединения ударных воли.
Создание физической модели, поиск новых эффектов, формируемых ОПР и МОВ.
Задачи исследования
1. Создание физической модели взаимодействия оптического пульсирующего разряда с газом на основе механизма объединения волн:
- определение условий эффективного преобразования лазерного излучения в ударные волны, генерируемые ОПР;
- поиск критериев проявления механизма объединения воли;
- исследование свойств квазистанионарных воли,
2. Обоснование универеальной природы механизма объединения волн на примере изучения в различных газах.
3. Исследование новых эффектов, основанных на ОПР и МОВ:
- формирование плазменной струи при движении ОПР;
к - генерация волновых полей, содержащих одновременно ультразвуковую и аномально интенсивную низкочастотную компоненты (близко к инфразвуку);
- ограничение области проявления эффекта Доплера для движущегося ОПР;
4. Моделирование квазинепрерывного лазерно-микроволнового разряда:
- разработка модели, описывающей параметры лазерного излучения, оптимальные для формировании ОПР;
- исследование поглощения СВТ1 излучения плазмой распадающихся лазерных искр, определение времени, в течение которого искра поглощает излучение;
построение модели лазерно-микроволнового разряда, описывающей основные характеристики разряда. 5- Создание модели лазерного двигателя, основанного на свойствах ОПР и МОВ.
Методы исследований - теория, компьютерное моделирование, эксперименты с использованием мощного лазерного излучения.
Научная новизна
1. Впервые выявлен механизм объединения ударных волн, который преобразует высокочастотные пульсации ОПР в низкочастотные квазистационарные волны в окружающем газе. Механизм имеет универсальную природу: может действовать при іорении ОПР или при протекании процессов взрывного характера. В зависимости от пространственно временной структуры пульсаций и скорости перемещения Oil? действие МОВ проявляется в виде различных эффектов, основным свойством которых является большая длина зоны возмущения,
2. Впервые найдены критерии проявления МОВ. Они именл безразмерный вид и применимы дня описания МОВ в разных газах.
3. Определены условия, при которых ОПР эффективно ( 30 %) преобразует И-П лазерное излучение в УВ, что является необходимым условием действия МОВ.
4. Впервые обнаружена КВП которая формируется перед движущимся ОПР в результате действия МОВ, В противоположном направлении УВ имеют дааграмму направленности. Длина KB много больше длины отдельных УВ, из которых она сформировалась. В отличие от УВ, давление в KB максимально на заднем фронте, то есть вблизи ОПР.
5. Впервые показано, что при амплитудной модуляции И-П лазерного излучения в виде цугов импульсов, в спектре цугов УВ на частоте повторения цугов F в результате действия МОВ появляется сильная компонента, доля мощности которой пропорциональна частоте f лазерных импульсов в цуге. Это решает проблему создания точечных; источников инфразвука с высоким КПД. В известных ранее методах амплитудной модуляции звука доля мощности на частоте F имеет зависимость - F/f; КПД таких источников низкий менее 1 %.
6. ОПР является новым источником звука. Впервые показано, что оффекі Допле-ра неприменим к движущемуся ОПР, если действует МОВ. Лишь при опредслен-ном сочетании параметров ОПР ведет себя как обычный акустический источи як.
1. Впервые выявлен эффект - движущийся в газе ОПР создает капал с низкой плотностью, в котором газ ускорен до 2.5 км/с. Найдены критерии эффекта. 8, На основе ОПР и МОВ предложен новый подход к решению проблемы лазерного воздушно-реактивного двигателя. При импульсном подводе анергии МОВ обеспечивает постоянно действующую силу тяти, которая в несколько раз превышает достигнутый для этих двигателей уровень и составляет 2000 Н/МВт. Матричної структура рефлектора позволяет управлять траекторией полета, 9. Впервые предложен новый тип разряда лазерно-микроволновой разряд (ЛМР). Движущийся ОПР создает след ионизованного газа с низкой плотностью и высокой температурой, в объеме которого поглощается более мощное СВЧ излучение, вводимое симметрично через боковую поверхность канала. В JIMP СВЧ разряд локализован в границах канала, и ЛМР движется в газе. В ранее в методах лазерного поджига СЧВ разряд выходил за пределы искры.
Достоверность Выводы диссертации основаны на результатах, полученных теоретически, с использованием компьютерного моделирования, подтверждены в экспериментах.
Практическая ценность работы
Работа находится на стадии фундаментальных исследований. ОПТ1 и МОВ найдут следующие применения.
- Лазерно-микроволновой разряд открывает перспективу продвижения в область больших мощностей квазинспрерьпшого воздействия излучения на газ.
- В лазерном воздушно-реактивном двигателе ОГТР и МОВ позволяют: в несколько раз увеличить тягу, избежать трудностей, связанных с ударным и термическим воздействием лазерной плазмы на оптический рефлектор, управлять траекторией полета, І4 - ОПР и ЛМР применимы для снижения аэродинамического сопротивления тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью.
- Создание уникальных, не имеющие аналогов точечных источников инфра-ультразгсуковых полек с управляемым спектром.
- Для плазмохимических технологий, а также имитации полета, представляет интерес плазменная струя и ударная волна, создаваемые движущимся ОПР.
- В физике взрывных процессов МОВ позволяет создавать протяженные зоны ш высокого давления Б выделенном направлении.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Механизм объединения ударных волн - преобразование высокочастотны?; пульсации ОПР в низкочастотные квазистационарные волны. В сплошной среде периодически создаются ударные волны (УВ), начальная скорость которых больше скорости звука Сп. Скорость V0 перемещения источника УВ меньше С0. Объединяясь, УВ создают низкочастотную KB, если параметры ОПР соответствуют критериям механизма. МОВ действует в разных средах, при различной энергии источника УВ.
2. Критерии МОВ: ОПР создает KB при щ s 2.5-М0 со ш2 =5.88-(1 - М0)]г3, где M0-V0/C0, to-fR /Cc - безразмерная, а Г размерная частота И-П излучения, R i - динамический радиус искры. Левая часть - условие стабильной генерации УВ, правая - критерий объединения УВ в КВ. Переходная область- ю, =0.65 (1 -MQ) ш щ - здесь по мере приближения СОКИ] влияние МОВ уменьшается, а при m ш, УВ не взаимодействуют. Критерии применимы для различных газов.
3. Свойства KB, ОПР, движущийся с дозвуковой скоростью V0/C0 0.6- -0.98, создает перед собой область высокого давления - КБ. Передний фронт KB имеет скорость C[i, задний - VV Давление в KB минимально на переднем фронте, максимально на заднем, через который в KB закачиваются УВ. Па асимптоте распределение давления в KB не меняется со временем. Характерная длина КБ равна ™ 20. Движущийся ОПР создает KB в виде сегмента шара, а неподвижный ОПР - в виде шара. Параметры подобия для KB - М ь со.
4. Новые эффекты, основанные па действии МОВ.
- Эффект Доплера для ОПР ограничен действием МОВ: нелинейное взаимодействие ударных вили вблизи ОПР сопровождается искажением формы и спекгра сшнала. регистрируемого датчиком. Эффект применим при шр ш о).
- Эффект ускорения. Перемещающийся 01 IP создает "вакуумный" канал с низкой плотностью и высокой температурой, в котором распадающаяся лазерная плазма ускорена в направлении, противоположном движению ОПР до 2.5 км/с. Ускорение происходит в результате истечения газа из области высокого давления в канал. Создана модель, описывающая параметры струи и критерии ускорения.
- 01 IP - точечный источник инфразвука с рекордной эффективностью. Цуги лазерных импульсов, повторяющиеся с частотой F«f. создают цуги УВ. В результате действия МОВ доля Ъа мощности акустического поля па частоте F растет b& f и может достигать значения- 0.8. В известных ранее методах обратная зависимость и b F/f «1. ОПР может создавать звук в диапазоне инфра-ультразвуковых частот.
5. Лазерно-микроволновой разр5щ (ЛМР), Движущийся ОІІР создает в газе "вакуумный" канал (ионизованный газ с низкой плотностью, высокой температурой), в котором поглощается более мощное СВЧ излучение, вводимое аксиально-симметрично через боковую поверхность канала. Канал локализует СВЧ разряд. ЛМР эффективен на правой ветви СВЧ аналога кривой Пашсна.
6, Модель, которая позволяет определить параметры лазерного излучения, оптимальные для создания мощного (десятки и более кВт) ОПР в воздухе (длительность импульсов - 0.2 - 1 мке, частота повторения f -20 - 100 кГп), основные характеристики "вакуумного капала. Его длина ограничена турбулентным тепломассопереносом, характерное время составляет - 1 - 2 мс.
Личный вклад диссертанта На защиту выносятся результаты исследований, проводившихся диссертантом лично или под его научным руководством. Диссертант, с помощью совместно разработанной с профессором д,ф.-м.н. Гулидовым А.И. математической модели, обнаружил и исследовал механизм объединения волн и его критерии, выявил эффект ускорения лазерной плазмы и ограничение эффекта Доплера, эффект одновременной генерации ультразвука и инфразвука. Разработал схему ввода мощного СВЧ излучения в лазерный канал и предложил лазерно-микроволновой разряд. Диссертантом проведено обоснование экспериментов по проверке защищаемых положений, созданы физические модели. Диссертант проводил расчеты, участвовал в экспериментах и в обработке результатов измерений. Внес основной вклад в подготовку статей. Работа выполнена в рамках: Государственной Программы "Планета" - ответственный исполнитель от ИЛФ СО РАН; четырех РФФИ проектов - научный руководитель; ингеїрациоішого проекта СО РАН №152 ответственный исполнитель, ученый секретарь. Основные эксперименты проведены на стендах. ИЛФ СО РАН и ИТЇ1М СО РАН при активном участии заведующих лабораторий Грачева Г.Н,(методы создания ОЇ1Р), Запрягаеза В Ж. Бойко BJVL и их сотрудников.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: International Symposium «Modern problems of laser physics», Novosibirsk, 1995, 1998, 2000, 2004; ПІ Международное рабочее совещание «Генераторы термической плазмы и технологии», Новосибирск 1997; Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, 1997, 2001, 2003; конференция по физике низкотемпературной плазмы, Петрозаводск, 1998; International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers GCL/HPL 98, CCLTIPL 2002, CCLTIPL 2004; The 1 Workshop on Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aero-space Application \ Moscow, IVTAN, 1999: The Workshop on Magncto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications", Moscow, 1VTAN, 2000, 2001, 2002, 2003, 2005; семинар в Институте гидродинамики СО РАН, 2002; Int. Conference LAT-2002, Moscow, June 22-27, 2002; Семинар Акустика неоднородных сред VII", Новосибирск, 2000; 2002; 2004; ICMAR 2004 Novosibirsk; Third Int. Symposium on Beamed Energy Propulsion, Troy, New-York, Oct. 11-14, 2004; Интеграционный проект CO PAH № 152; РФФИ поддержал четыре проекта, которыми руководил диссертант.
ПУБЛИКАЦИИ
Содержание диссертации опубликовано в следующих работах.
1. Третьяков ПХ. Грачев ГЛ., Иванченко ATI., Крайнев BJL, Поношренко АЛ ., Тищенко ВЛ1. Стабилизация оптического разряда в сверхзвуковом потоке аргона. ДАН. 1994.-т.336.-№ 4.- с.466-467.
2. Третьяков U.K., Гаранин А.Ф,, Грачев ГЛ., Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г., Тишенко В.Н. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического разряда. ДАН, 1996, т.351, №3, с.339-340.
3. Тищенко В.К., Антонов В,М? Мелехов А.В., Никитин С.А., Посух ВТ.. Третьяков ПК., Шайхисламов И.Ф. Микроволновой разряд в лазерной плазме. ІЬша в ЖТФ, 1996, т.22, в.24, с.30-34.
4. Grachev G.N., Ponomarenko A.G., Smimov A.L., Tischenko V.N,, Tret jacov P.K. Production of a Powerful Optical Pulsating Discharge (POPD)by CO Pulse-Periodic Laser Radiation in Supersonic Gas Flow. Laser Physics, 1996, v.6, №.2, pp,376-379.
5. Тищенко В.П. Движение лазерно-микроволнового разряда в атмосфере, Ш Международное рабочее совещание «Генераторы термической плазмы и технологии». Новосибирск, 25-29 августа, 1997 г,
6. Tischenko V.N. A Laser-Microwave Discharge. Proceedings the Second International Symposium on "Modern Problems of Laser Physics". Novosibirsk. 1997, v.2, p.428-438.
I. Tischenko V.N., Antonov VJVL Melekhov A.V., Nikitin S.A., Posukh V.G., Shaikhislamov LP. Absorption of high-power microwave radiation in plasma of decaying optical breakdown of gas. J.Phys. D: Appl. Phys. 1998, v.31? p.1998-2003.
8. Тищенко B.H. Лазерно-микроиолновый разряд для управления полетом сверхзвуковых тел. Оптика атмосферы и океана. 1998, \Л 1, №2-3, с.228-233.
9. Tischenko V.N.. Influence of a Powerful Laser-Microwave Discharge Moving With Supersonic Velocity upon the Atmosphere. Abstract GCL/HPL r98.
Ю.Пошмаренко А.Г.? Тищенко B.H., Грачев Г.Н., Антонов В.М., Мелехов А.В., Никитин С.А., Посух ВТ., Шайхисламов И.Ф. Лабораторное моделирование лазер но-мгткрошлновото разряда. Доклады конференции по физике низкотемпературной плазмы. Гїечрозаводск. 1998, с.277-280.
II. Ponomarenko A.G., Tischenko V.N., Grachev C.N., Antonov V.M., Gulidov A.LT Melekhov A.V., NikiLin S.A., Posukh V.G., Shaikhislamov I.F.. The transformation of a laser-microwave discharge into gas-dynamic disturbances moving at a supersonic velocity in the atmosphere. "Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aerospace Application"1. Moscow, IVTAN, 1999, 82-92.
12. Тищенко ВЛ1-, Іулидов А,И.. Ускорение лазерной плазмы оптическим пульсирующим разрядом, движущимся в воздухе с гиперзвуковой скоростью. Письма Б ЖТФ, 2000, т.2б, в.] 9, с.77-83.
• n.Tischenko V.N., Gulidov A.L Generation of a Plasma Jet by Optical Discbarge Moving in the Atmosphere with Hypersonic Velocity. The 2 Workshop on Magneto-Plasma- Aerodynamics in Aerospace Applications". Moscow, IVTAN, 2000, p.196-201. 14.Тищенко B.R, Грачев Г.Н., Гулидов А.И., Запрягаев В.И., Посух В.Г. Плазменная струя и ударные волны, создаваемые оптическим разрядом, движущимся в газе со сверхзвуковой скоростью. Тезисы докладов Международная конференция "Атомные и молекулярные импульсные лазеры", Томск. 10-14 сентября 2001г.
15. Тищенко В,Н.3 Грачев Г.Н., Гулидов A.IL, Запрягаев B.IL, Посух ВТ. Моделирование ударных волн при большой частоте повторения лазерных искр. Квантовая электроника, 2001, т.31, в. 4, C.283-2S4,
16. Tischciiko V/N.? Grachev G.N., Gulidov A.L, Zapryagaev V.L, Posukh V.G. Simulation of shock, waves and sound of a moving laser source. Proceedings of the 3 Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications». Moscow, IVTAK 2001,рЛ88-191,
17. Тищенко B.H., Грачев ГЛ,, Запрягаев B.IL, Смирнов А.Л, Соболев А.В. Спекггр ударных волн, создаваемых оптическим разрядом при высокой частоте повторения лазерного излучения. Квантовая электроника 2002, т.32: в. 4, с.329
IS.Tischenko V.N., Grachev G.1SL Zapryagaev V.L, Smimov A.L., Sobolev A.V. Periodic Shock Waves Generated by an Optical Pulsating Discharge. The XIV International Symposium on Gas Flow& Chemical Lasers and High Power Laser Conference- 26-30 August, 2002, Wroclaw. Poland. Conference Digest, p2.34.
19,Tischenko V.N., Grachev G.N,, Zapryagaev V..L, Smimov АЛ_..: Soholev АЛГ. A Plasma Jet and Shock Waves Initiated by an Optical Pulsating Discharge. The Experiment. The 4 Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications». Moscow, IVTAN, 2002. 20. Тищенка B.R, Грачев Г.Н., Запрягаев В.И., Смирнов A.JL, Соболев А.В. Лазерная генерация инфразвука точечным источником. Эксперимент. Динамика сплошной среды B.12L Акустика неоднородных сред. Новосибирск, 2002, с. 1 • 21. Тищенко B.H., Гулидов А.И Преобразование лазерною излучения ь
низкочастотную волиу сжатия, движущуюся в направлении распространения оптического пульсирующего разряда. Динамика сплошной среды, в.121. Акустика неоднородных сред. Новосибирск, 2002, сЛ53 - 157.
22, Grachev G.N., Dcmin V.N., Ponomarenko A.G., Smimov A.L.. Tischenko V.N., Tretyakov P.K. A Powerful Optical Pulsating Discharge in a supersonic gas flow and its Applications. Int. Conference LAT-2QG2, Moscow, June 22-27, 2002, p.259.
23, Тищенки В Л. Генерация низкочастотной волны оптическим разрядом, движущимся в газе с дозвуктвой скоростью. Квантовая электроника, 2003, т.ЗЗ, №9, с. 823-830.
24, Тищенко В.Н., Грачев Г.Н., Гулидов А.И., Запрягаев В.И.: Смирнов AJL, Соболев А.В. Взаимодействие периодического лазерного излучения с газом при большой частоте повторения импульсов. Тезисы докладов VI Международной Конференции. "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул1 . Томск ,15-19 сентября 2003 года, 64 -65
25.Tischenko V.N., Gulidov АЛ, Transformation of Optical Discharge into a Low-frequency Quasi-stationary Wave Moving along the Beam. Proceedings of 5 "Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynainics in Aerospace Applications", Moscow, IVTAN,20Q3,p.313-322.
26- Тищенко B.H., Аполлонов ВБ., Трачега T.fL Гулидов АЛ,, Запрягаев В,11, Меньшиков Я.Г., Смирнов AJL? Соболев А.В, Взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом: условия стабильной генерации и объедиие-ния ударных вопи. Квантовая электроника, 2004, т. 34, № 10, с. 941-947.
27, Аполлонов В .В., Тишешш В.Н, Механизм объединения ударных волн в лазерном воздушно-реактивном двигателе. Квантовая электроника. 2004, т. 34, №12,с.]143-1146. 28,Tischenko V.K, Grachev G.N.; Zapryagaev V.I., Gulidov A.T., Smimov AX., Sobolev A.V. Generation of Lov-Frequency Gas-Dynamic Disturbances by an Optical Pulsating Discharge. Proceedings XII International Conference on the Methods of Aerophysical Research, Part II. Novosibirsk, Russia, 28 June - 3 July, 2004. p.p. 178 • -182.
29. Apollonov V.V., Tishchenko V.N. Stable Generation and Merging of Shock Waves for "Lightcraft" Applications; parLl. Proceedings of Third Int. Symposium on Beamed Energy Propulsion, Troy, New-York. Oct! 1-14, 2004. ЛІР Conference Proceedings -- April 27? 2005 - Volume 766, Issue 1, pp. 205-215.
30. Apollonov V.V.. Tishchcnko V.N. Shock Wave Merging Mode For "LighlcralT Application. Proceedings of Third Int. Symposium on Beamed Knergy Propulsion, Troy, New-York. Oct. 11-14, 2004. AIP Conference Proceedings - April 27, 2005 Volume 766, Issue 1. pp.216 -229.
31. Apollonov V.V., Tishchenko \.h. Interaction of an Optical Pulsed Discharge with Gas: Mechanism of Shock Waves Merging, Proceedings of 15Ltl International Conference on MHD Energy Conversion and 611 Workshop on Magnctopiasma Aerodynamics for Aerospace Applications. May 24-27, 2005, Institute of High Temperatures RAS, Moscow, Князі, p.544-551.
32. Apollonov V.V., Kijko V.V., Kisiov VI., Tishchenko V.N.. Pulse-periodic lasers for Lightciaft applications. Int. Symposium- XV International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers. Proc. Prague, Chech Republic, 2004, SPIE Vol. 5777, p. 1011-1018
33.Тищенко В.П. Эффект Доплера для оптического разряди, источника ударных волн. Квантовая электроника, 2005, т. 35, № 11. с, 1015-1018.
Структура и объем диссертации Дисеертапия состоит из введения.. 9 глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы. Она изложена на 307 страницах машинописного текста, включает 115 рисунков и список литературы из 271 наименований.
Аннотация диссертации
Первая глава содержит обзор и анализ литературы по теме диссертации. Проведен анализ актуальных задач, основанных на идее звода энергии лазерного излучения в сверхзвуковой поток г&за Vy 340 м/с. Из рассмотрения различных режимов оптических пробоев газа следовало, что в диапазоне скоростей - 100 -2000 м/с отсутствует механизм переноса плазменного фронта навстречу лазерному излучению. Это делало невозможным использование непрерывного излучения. В известных режимах скорость менее 100 м/с или более - 2 км/с. Квазипепрерывный ввод энергии лазерного излучения в газовый поток возможен с помощью ОПР при большой частоте оптических пробоев в фокусе, который перемещается относительно газа. Дано определение ОПР и его отличие от известных типов оптических разрядов- Приведен перечень актуальных задач из различных областей знаний и технологий, которые позволит решить ОПР и МОВ. Сформулированы цель работы и решаемые задачи.
Во второй главе на основе теоретического анализа процессов переноса плазменного фронта и экспериментов с лазерной искрой построена модель, применимая для расчета параметров лазерного излучения, оптимальных для создания ОПР большой мощности 10 кВт и более.
Третья глава экспериментальная, она посвящена лабораторному моделированию и обоснованию нового типа разряда - лазерно-микроволнового (ЛМР), ЛМР рассматривается как метод продвижения в область больших мощностей квазинепрерывного взаимодействия электромагнитного излучения с газом.
Четвертая и последующие главы посвящены исследованию нового типа взаимодействия лазерного излучения с газом - резонансному воздействию ОПР на окружающий газ. В основе метода открытый диссертантом механизм объединения ударных волн (МОВ). Важное место в работе занимает обоснование критериев МОВ и их универсальной природе. Исследуются свойства квазистационарной волны, создаваемой ОПР и МОВ. Рассматриваются новые эффекты, являющиеся следствием МОВ. Исследования проведены с использованием компьютерного моделирования и экспериментов, в которых проверялись основные положения теории. В заключительной 9 главе практическая значимость МОВ показана на примере использования ОПР и МОВ в лазерном воздушно-реактивном двигаїеле. Приведена модель расчета параметров лазерного излучения для преобразования лазерного излучения в инфразвук.
Список цитируемой литературы
1. Райзер ЮЛ.. Лазерная искра и распространение разрядов. М: "Наука", 1974, с.308.
2. Аврамснко Р.Ф., Рухадзе А.А., Теселкин С.Ф. О структуре ударной волны в слабононизованной неизотермической плазме. Письма в ЖЭТФ, 1981, тТ,34, вВ.9, сС.485.
3. Георгиевский П.КХЭ Левин ВА. Сверхзвуковое обтекание тел при наличии внешних источников тепловыделения. Письма ЖТФ, 1988, Т. 14, В. 8, С.684
4. Борзов В.Ю., Рыбка Й.В., Юрьев А.С. Оценка энергозатрат при снижении лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке. Инженерно-физический журнал. 1992, Т. 63 J б, С. 659.
5. Артемьев B.R, Бергельсон В,И., Немчинов И.В,, Орлова Т.Н., Смирнов В.А., Хазинс В.М.. Изменение режима сверхзвукового обтекания препятствия при возникновении перед ним тонкого разреженного капала. Механика жидкости и газа. 1989, №5, с. 146.
6. Третьяков ПК,. Грачев Г.Н., Иванченко АН., Крайнев В.Л.? Пономарснко А.Г\, Тищенко В.П. Стабилизация оптического разряда в сверхзвуковом потоке аргона. ДАН РАН. 1994, т.336, № 4, с.466.
7. Третьяков П.ІС Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н,? Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г.. Тищенко В.Н. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического разряда. ДАН РАН 1996,т.351, ЖЗ, с.339.
8. МутаЬо LM, Kaizer Yit.P. Laser-Induced air spike for advanced Iransatmospheric vehicles (AIAA Paper. № 94-2451,1994).
9. Борзов В.Ю., Михайлов B,M: Рыбка ИВ. и др. Экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания препятствия при энергоподводе в невозмутцен-ныйпошк. Инженерно-физический журнал, 1994, т.66, Хэ.5, с. 515.
10. Ьожков AHL Бункин Ф,В., Коломенский Ал.А., Маляровский А.И., Михалсвич ВИ. Лазерное возбуждение мощного звука в жидкости. Исследования по гидрофизике. Труды ФИАН: 1984.. т. 156, с. 123.
ІТЛямшев Л.М.. Лазеры в акустике. УФН, 1987, т. 151, вып. 3,с. 479.
• 12.Гейнн Ю.Э,, Земляное А.А., Зуев В.Е., Кабанов A.M., Погодаев В.А..
Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск. Издательство СО РАН. 1999,259 с.
13. Аполлонов В.В., Кийко. Кислов В.И., Суздальцев А, Г., Егоров А.Е.. Высокочастотный импульсі-іо-периодіїческий режим излучения в мощных широко-аиертурных лазерах. Квантовая электроника, 2003, тЗЗ, в,9, с.753.
14. Батанов Г.М., Бсрсжсцкая НХ, Бровкин ВТ., Грицянян С.И., Коссьш "И.А., Смирнов А.Г., Ушаков 0,А.. Газодинамические характеристики инитшировап-ного СВЧ-разряда. Сб, Радиофизика, (научно-технический сборник". All СССР, Московский радиотехнический институт. Москва, 1991, с.53.
15. Ходатаев ЮЗ. Ги дро динами ческие процессы в іглазме сверхмощного высокочастотного разряда. Химическая физика, 1993, Т. 12? ]S 2 3? С. 303.
Режимы оптических пробоев газа и проблема ввода энергии в газ
Отметим трудности физического характера, которые ограничивали непрерывный ввод энергии лазерного излучения в скоростной поток газа. Уже первые опытвт по созданию длинной лазерной искры показали, что сплошной плазменный канал не формируется [50? 51]. Искра состоит из отдельных плазменных образований, имеющих длину до несколько сантиметров. Расстояние между ними возрастает по мере увеличения фокусного расстояния линзы
В экспериментах по управлению молнией [52, 53]. проводимых в Японии, удалось получить сплошную искру длиной 2 метра. Использовался двухкаиалышй С02-лазер с энергией излучения 1 кДж Б каждом канале, длительность импульсов 50 не. Для создания длинных, неразрывных искр представляет интерес фокусировка излучения с использованием бегущего фокуса (см. библиографию в [54]) или с помощью конических линз (акеикон) [551, фокусируюших излучение в отрезок линии. Однако и в этих экспериментах длина сплошной искры не превышала - 1 м.
Ввод лазерного излучения в газовый поток возможен с использованием оптического плазмотрона, предложенного Райзєром Ю.П. [18]. Однако неустойчивость НОР огранитавает скорость газа на уровне нескольких десятков метров в секунду [18 - 26]. НОР формируется вблизи фокуса лазерного луча на заключительной стадии распространения лазерной искры & режиме медленного горения. Предельная скорость потока ограничена скоростью теплопроводностью го механизма переноса плазменного фронта в режиме медленного горения, где температура плазмы 2 эВ. Тепловая волна может переносить энергию со сверхзвуковой скоростью лишь при очень высоких температурах и малых размерах искры [8]. Другие известные механизмы распространения оптических разрядов в свободном газовом пространстве имеют скорость более - 2 км/с. Скорость распространение разряда, тюроговая интенсивность и механизм в условиях близких одномерным, как, например, в работах [56, 57], могут отличаться от наблюдаемых в свободном газовом пространстве.
Известно несколько механизмов переноса плазменного фронта навстречу лучу: теплопроводи остный (режим медленного горения), радиационный, детонационный (светодетонапиогпш волна - СДВ), пробой (волна пробоя), неравновесный нагрев (быстрая волна ионизации). Все режимы, кроме первого, имеют сверхзвуковую скорость распространения волны в иевозмущенпом газе. Метод определения возможного режима предложен в работе [5$, 59], Реализуется тот режим, при котором скорость переноса плазменного фронта максимальна.
Лазерная тшша в режиме медленного горения [60]. Данному явлению, посвящены обзоры 18, 10, 1], 15]. Скорость движения плазменного фронта дозвуковая, ее можно определить из формулы [11] Где a. Xr C_P - коэффициент поглощения излучения з лазерной плазме, ее температуропроводность и теплоемкость, Рс - давление нсвозмущеппого газа, / интенсивность излучения. В [11] энергия лазерного импульса составляла несколько килоджоулей, длительность несколько миллисекунд, длина волны X = 1.06 мкм. Интенсивность излучения варьировалась до I - 10 MBT/CMZ И была меньше порога оптического пробоя газов. Горение инициировалось лазерной искрой дополнительного лазера. Из [11] следует, что скорость движения плазменного фронта может достигать значений V - 40 м/с, а длина искры 30 см. При малых значениях I - 0.5 - 10 МВт/см2 сверхзвуковое движение фронта V Q, (в воздухе Сс 340 м/с) возможно при одномерном распространении разряда в узкой трубе [57] или на начальном стадии разлета лазерной плазмы от поверхности мишени [56], когда радиальное расширение плазмы мало.
Режим светолетонапионной волны (СДВ) [5, 6]г Перенос плазменного фронта осуществляется ударной волной, движущейся навстречу лазерному излучению. При типичных скоростях СДВ V - 10 км/с УВ нагревает и ионизует газ. Лазерное излучение поглошастся в тонком слое за фронтом УВ. Исходная плазма образуется при пробое вблизи поверхности или в фокусе линзы. Порог образования СДВ в луче ССЬ-лазера при инициировании СДВ с поверхности твердого тела равен - 10 - 300 МВт/см2 [61, 62] ( 10.6 мкм), В свободном пространстве порог сильно зависит от сорта и давления газа, длины волны излучения, наличия частиц аэрозолей в газе [8 13].
Здесь Г [МВт/см , Р0 [атм.]. Для Г - 200 МВт/см2, 0 - 1 аш. скорость СДВ - 10 " м/с. Выражение (L2) полонено для одномерной СДВ, когда можно не учитывать двухмерность процессов и изменение интенсивности излучения по радиусу.
Режим радиационной волны. Режим возможен в основном в тяжелых газах при низком давлении и большом радиусе лазерного луча -1 см [58, 59]- Перенос энергии и фронта ионизации осуществляется излучением плазмы, которая создается и поддерживается лазерным излучением [8, 63]. В зависимости от скорости іаза за фронтом волны различают дозвуковые радиационные волны (ДРВ) и сверхзвуковые радиационные волны (СРВ). Однако относительно окружающего газа волна движется со сверхзвуковой скоростью. Типичные значения скорости волны составляют 1 - 5 км/с для ДРВ и до 100 км/с для СРВ [61, 64], ДРВ формируется, если интенсивность лазерного излучения недостаточна для поддержания СДВ или СРВ. Перед плазменным фронтом движется ударная вдлна. Скорость движения плазменного фронта ДРВ равна [15]
Примеры использования модели для расчета излучения и ОПР
Значение энергии импульса варьировалась от порога пробоя газа до 8 Дж. Излучение фокусировалось в камере двумя сменными линзами из NaCl с фокусными расстояниями lH"f = 30 см или Ff = ПО см. Ослабление энергии излучения осуществлялось калиброванными ослабителями из набора тефлоновых пленок толщиной 5 = 40 мкм. Параметры излучения лазера контролировались датчиками энергии (ТПИ-2-5) и мощности (германиевыми), как до ввода в камеру, гак и иосле прохождения точки фокуса. Эксперименты производились в воздухе при давлениях Р0 = U 0,1, 0.05 атм. Размеры лазерных факелов фиксировались фотоаппаратом. Датчиком давления измерялось время прихода «скачка» давления в различные точки по радиусу относительно оси лазерной искры.
На рис. 2.5 представлены осциллограммы мощности излучения лазера, измеренные до ввода в камеру (сплошная линия) и после прохождения точки фокуса в случае образования лазерного факела. С пелыо определения энергетической эффективности измерена энергия (Q]) лазерного излучения, проходящая через плазму ОР, Зависимость Q от энергии падающего луча Qr представлена на рис. 2.6. Как видно из рис.2.5 и рис.2.6, пробой газа развивается на переднем фронте лазерного импульса за время 50 пс. При этом энергия излучение прошедшая через плазму ОР, равча - 0.05 Дж. что составляет - 10 2.5% от энергии падающего излучения Qr - 0.4 2 Дж. Высокая эффективность ( 95%) поглощения излучения в искре достигалась созданием лазерного импульса с крутым передним фронгом {- 80 не).
Длина искры, как показано в 2.2, зависит пт многих параметров: энергии и длительности лазерного импульса, концентрации газа, фокусного расетоянрія гшнзы и размера луча па ней. Влияние этих параметров па длину 1р и максимальный диаметр h плазменного факела показано на рис. 2.7. Порог ОР отмечен стрелкой. Кривіле соответствуют степенной зависимости h 1== Qr04 и lp Qr0,4. Порог OP Б зависимости от давления газа и фокусного расстояния составлял Qr О.Зч-І.З Дж. Дллпа Lp зоны знерговыделепия в искре меньше протяженности 1р плазменного факела иа величину геплового расширения лазерной плазмы. Из анализа экспериментальных данных, представленных на рис. 2.1 получено следующее выражение для оценки длины искры Lp - b(P)Q,0 2\ Величина
Ь(Р) зависит от параметров фокусирующей системы и давления газа. Так при d] = 3 см Ff = 30 см из рис.2.7 получим b = 1.7; 1.32; 1 при Р = 0.05; 0.1, 1 атм. Согласно формуле (2.16), параметр Ь(Р) можно представить в виде b 0.9/РП2? отсюда Lp & 0.9Qr0 /Р12. Для других значений dj и Fr экспериментальные зависимости рис. 2.7 удовлетворительно аппроксимируются выражением
Таким образом, для создания мощного ОГ1Р с длиной искр Lp & 0.5- -3 см требуется лазерное излучение с параметрами: в воздухе - WCi - 5+50 кВт (Qr = ]+5 Дж в импульсе), а в АГ - Wc = 0.7-5 .кВт (Qr = 0.06-0.5 Дж). При Lp 2-гЗ см следует использовать фокусирующую линзу Ff -100 см, тш позволяет существенно понизить мощность лазера. Наиболее эффективны режимы поглощения энергиил когда каждому значению пиковой мощности излучения соответствует определенная длительность (tip), равная времени OJ1 начала импульса до распада СДВ. Длина ОР имеет зависимость от МОЩНОСТИ Lp W \ Если і\ фиксирована, то при малых W значение Lp ограничено распадом СДВ (т,тс t, tip) и L., - W1/2, а при больших W величина I_P - W " и определяется прекращением излучения.
Квазинепрерывное взаимодействие излучения с газом на основе механизма объединения волн должно удовлетворять следующим требованиям. J. Область поглощения энергии изучения неподвижна или непрерывно перемещается относительно газа с большой скоростью.
Высокая плотность и локализация поглощаемой энергии в объеме, имеющем форму сферы или протяженного капала 3. Большая мощноеіь н высокий КПД генераторов используемого излучения.
Этим требованиям удовлетворяет лазерно-мыкроволновой разряд (ЛМР) [$0 157, 158], в котором ОПР обеспечивает локализацию поглощения более мопщого GB4 излучения и СВЧ генераторы имеют высокий КПД.
Ранее известные методы не позволяли решить указаі-шуіо задачу. Отметим некоторые свойства взаимодействия СВЧ. При повышенном давлении газа Р0 200 Тор СВЧ разряды (СВЧР) обладают следующими характеристиками ([136 - 149, 265-270]): 1 - будучи инициированным на плазменном очаге с размером порядка длины СВЧ волны X СВЧР развивается в виде искровых каналов, заполняя апертуру СВЧ пучка за время десятки микросекунд; скорость фронта СВЧР Ю5 см/с; 2 - в слабоионизованной плазме (концентрация ниже критической) с размером »Х происходят самоегоятельный или несамостоятельный разряд в диффузной форме с последующим переходом в искровую через время -10- 50 мке; порог пробоя в атмосфере -1-:2 МВт/см\ Недостатком первого подхода является низкая эффективность поглощения СВЧ на начальной стадии СВЧ!\ Во втором случае проблематично создание плазмы в больших объемах. Обший недостаток -пространственно-временная нестабильность подвода энергии СВЧ в газ. Искровой разряд создает сильную неоднородность в потоке газа [266 . В ряде работ (см., например, обзор [147, 148]) СВЧР инициировался с помощь лазерной искры, что позволяло снизить порог СВЧР.
Схема подвода СВЧ излучения к оптическому разряду и регистрации эффектов взаимодействия
В параграфе представлены результаты экспериментов, в которых исследовалось взаимодействий (ЛЇЧ излучения с распадающейся лазерной искрой. Варьировалось времени задержки (t3 = 0-2 мс) СВЧ пучка (относительно лазерного), находилось время tH в течение которого каверна поглощает СВЧ излучение. Давление воздуха и Аг - атмосферное, То 300 К. При ограниченной мощности СВЧ генератора использование Аг позволяло изучить поглощение СВЧ излучения в режиме самостоятельного разряда. Схема опытов представлена на рис. 3.16. Показана фотография лазерной искры между СВЧ линзами (излучающей и приемной), СВЧ разряд (СВЧР) в казерне, образовавшейся при тепловом расширении лазерной плазмы. Искра находилась в фокусе СВЧ пучка. Длина СВЧР вдоль искры ограничена апертурой СВЧ пучка.
Схема подвода СВЧ излучении к лазерний искре и регистрации эффектов взаимодействия. Источником СВЧ излучения являлся магнетрон. Подводимая к излучателю мощность Wr = 85 кВт, длительность импульса прямоугольной формы 2 мке, длина волны 32 см. Измерения ггроведсны в режиме генерации одного или дуга импульсов с интервалом между ними 25-30 мке при той же мощности. Излучатели 2 типов показаны на рис. 3.17 и рис, ЗЛ8, Рупорно-линзовая антенна (РЛА) с квазиоптической системой, обеспечивающей эффективную фокусировку излученного потока СВЧ МОЩНОСТИ P,J = 55 кВт. На рис. 3,17 линии равной мощности выражены в единицах W0. Открытый конец волновода, прямоугольного сечения с площадью отверстия 2.3x1,0 см\ обеспечивал мощность на срезе Р0 = 82 кВт (рис. 3.18). Электрическое поле СВЧ параллельно оси лазерного излучения.
Контроль режима излучения СВЧ импульса и измерения эффектов его взаимодействия с оптическим разрядом осуществлялись но сигналам датчиков излучаемой - W[„ прошедшей - W[ip, отраженной - W и рассеянной - WriJC СВЧ волны. Датчики представляют собой калиброванные детекторные волноводные секции на базе диодов Д601, Сигналы детекторов регистрировались с помощью осциллографов типа С8-14 с полосой пропускания сигналов не менее 50 МГп.
Эксперимент в воздухе атмосферного давления с рупорно-линзовьш излучателем. Типичные осциллограммы излученной, прошедшей, отраженной и расселиной СВЧ волны представлены на рис. 3.19 для задержек относительно лазерної о излучения т3 0 и ъ± =- 20 мке. Пунктиром показаны сигналы в отсутствии оптического разряда. При одновременном включении генерации СВЧ и лазерного импульсов, взаимодействие характеризуется постепенным ослаблением прошедшей волны и нарастанием отраженного сигнала. Это связано с расширением плазмы искры в области потока СВЧ излучения. При и 2 мке, характер взаимодействия слабо изменяется в течение длительности импульса, что фиксируется практически неизменными по амплитуде сигналами детекторов.
Эксперимент в воздухе атмосферного давления на открытом конце волновода. Типичные осциллограммы, иллюстрирующие динамику взаимодействия, показаны на рис. 3.20 для различных времен задержки относительно лазерного импульса. Можно выделить несколько режимов взаимодействия СВЧ импульса с искрой: - изменение прошедшей и отраженной волны в момент формирования плазмы (L3 = - 0,1 мке), связанное с заполнением области, занимаемой СВЧ излучением, расширяющейся лазерной плазмой; - квазиетациошриое взаимодействие с каверной искры ( = 5 мке); - нестационарное взаимодействие (t3 20мкс), когда расширяющаяся искра достигает области максимального потока СВЧ излучения (срез волновода). При подане дуга СВЧ импульсов с интервалом 20 - 30 мкс в момент приближения каверны оптического разряда к срезу волновода наблюдается повышение эффекта взаимодействия с каждым последующим импульсом (рис. 3.21), проявляющееся в систематическом снижении амплитуда протпедтттей волны и повышении уровня отраженной.
Эксперимент в аргоне давления с рупорно-линзовым излучателем. Обнаруженные в опытах с воздухом закономерности наблюдались и при взаимодействии СВЧ импульса с лазерной искрой в аргоне. Рис.3.22 иллюстрирует динамику взаимодействия при временных задержках % = 50. 300 и 1000 мкс. Отличия взаимодействия в аргоне по сравнению с воздухом состоят в следующем: - взаимодействие регистрируется па более длинных временных интервалах после создания лазерной искры (вплоть до - 10"3 сек): - нестационарное взаимодействие, характеризуемое интенсивным рассеиванием начального потока, возникает при более низких уровнях СВЧ излучения, чем в воздухе. Как показывают снимки, полупенные с помощью ЭОПа, взаимодействие СВЧ излучения в аргоне сопровождается появлением дополнительных областей свечения на фоне создаваемых лазерным излучением.
Динамика формирования каверны в Аг представлена на рис.3.23. (R - t) диаграмма каверны и ударной волны, а также изменение зо времени концентрации газа в области разрежения показаны на рис.3.24 (N0 - 2,4-10 " см - концентрация газа в камере). Значение N/NQ является оценочным, тате как получено косвенно. Для заданного времени задержки СВЧ пучка определялось (из осциллограмм) время tfr пробоя газа в каверне. Из выражения для частоты ионизации находилась концентрация газа, соответствующая измеренному значению tn.
Тестирование модели и сравнение с экспериментальными данными
Уравнение неразрывности при лагранжевом подходе имеет простой вид V()p() —vp, где Vfl. / - начальные объем и плотность ячейки, а Уи р - их текущие значения. Разностная схема для остальных уравнений из системы (4.1) записывалась стандартным образом с учетом формулы (4.2). Шаг по времени выбирался на основе критерия Неймана т = —, где А/ Кс минимальный размер разностной ячейки, в данном случае наименьшая высота треугольника, с - местная скорость звука, а/с - коэффициент запаса, величина которого выбиралась в пределах 24-3 в зависимости от интенсивности источника.
Способ аппроксимации пространственных производных, применяемый в рассматриваемом методе расчета дает второй порядок точности на сетках с контурами интегрирования близкими к правильным выпуклым многоугольникам.
Для других видов контуров порядок аппроксимации уменьшаемся до первого и при вытянутых в одном направлении фигур погрешность может сильно возрастать. Кроме того, пррі выборе шага по времени в качестве характерного размера на сетке с треугольными ячейками выбирается минимальная для всех ячеек высота.
Поэтому в случае лаграпжевого подхода, когда разностная сетка в следствие значительных деформаций среды искажается, перестройка разностной сетки является необходимым способом, повышающим степень аппроксимации пространственных производных, а значит и повышающим точность расчета. 11а рис. 4,3 представлены три варианта перестройки, которых достаточно для получения в ходе расчета приемлемой разностной сеткн, удовлетворяющей указанным выше условиям. Вариант а - "переброска диагонали" позво_іяег избежать появления сильно вытянутых в одном направлении ячеек. Вариант б используется в основном для сіуща-шя разностной сетки в части расчетной области, где возникают зоны разряжения. I ipvi увеличении площади ячейки больше критического значения в ячейку вставляется дополнительный узел: с образованием в место одной ячейки трех новых. Вариант е позволяет наоборот разгущать разностную сетку путем удаления малых по площади ячеек. Для каждою из вариантов предусмотрен соответствующий критерий.
В качестве критериев используется соотношение вида Ь} = !ф,-}. Так для варианта и параметр к определяет величину отношения меньшей диагонали к большей и выбирался с расчетах в диапазоне 1.8 - 2.0. Для варианта б hQ соответствует фиксированной площади ячейки, аЬ-в текущий момент времени.
Параметр к в этом случае выбкрался в диапазоне 4.0 5.0. В варианте в в качестве области перестройки выбираются ячейки, содержащие вытянутую ячейку, дня которой Ъь- радиус описанной окружности, а Ь.: - радиус вписанной окружности.
Параметр к при этом выбирается в пределах 0.015 - 0.05. После выполнения расчета на очередном шаге ГЕО времени производится сканирование по всей расчетной области с целью выявления ячеек - претендентов на перестройку. Если хотя бы один из критериев выполняется, то проводится локальная перестройка разностной сетки. Далее осуществляется пересчет всех искомых величин на нов ю сетку. Процедура пересчета выполняется па основе применения условия сохранения суммы величии в зоне перестройки. 4.3. Тестирование модели и сравнение с экспериментальными данными
Методика проверки применимости используемой в диссертации модели включала две части: тестирование на соответствие законам сохранения энергии, импульса и массы во всей расчетной области и, более тонкая диагностика, о соблюдении условий на разрыве (на фронте УВ); сравнение расчетов с экспериментальными данными дисеергашш и других авторов. Значительная часть сопоставления вынесена в другие разделы, в которых обсуждаются новые эффекты.
1. Выполнение законов сохранения массы, импульса и энергии. В программе предусмотрен расчет поглощенной в газе энергии, а также энергии и импульса газодинамических возмущений во всем расчетной области. Для свободного газового пространства погрешность не превышала -- 0,1 %.
2. На фронте ударной волны (УВ) должны выполняться условия сохранения для потоков массы, импульса и энергии. Условия свячывают параметры невозмущ енного газа перед фронтом УВ с, их значениями за франтом. Считая известным один из параметров за фронтом, например скорость движения УВ. можно вычислить все остальные параметры по следующим формулам, которые соответствуют идеальному и неподвижному газу (см. например [1711):
