Введение к работе
Плазма - четвертое, состояние вещества, является сложным физическим объектом, свойства которого, несмотря на интенсивные научные исследования, до сих пор до конца не изучены. Вещество в соотоянии плазмы встречается как в естественных, так и в искусственных условиях. В еотеотвенных условиях это пламя, верхние слои атмосферы, оолнечная корона, полярные сияния, молния. Широкое применение плазма находит в науке для исследовательских целей,а также в промышленности, являясь рабочим телом в различного рода устройствах, таких как мТД генераторы, плазмотроны, плазменные выпрямители электрического тока, плазменные стабилизаторы напряжения, плазменные усилители и генераторы сверхвысоких частот, факелы горения, образующиеоя при сжигании топлив в печах, факелы горения в реактивных двигателях. Последние являются объектом интенсивного изучения как с целью исследования их фундаментальных физических свойств, так и в прикладных целях.
Анализ научно-технической литературы, посвященной исследованиям низкотемпературной плазмы показывает, что проблема изучения ее овойств не потеряла своей актуальности. Среди не до конца решенных остается задача исследования свойств радиотеплового излучения факела горения реактивного двигателя. Факел горения реактивного двигателя является частным олучаем низкотемпературной плазмы. Многие свойства которой изучены достаточно глубоко: структура плазмы, спектральные характеристики излучения, оптические свойства. Установлено, что факел горения является источником шумового излучения в широком диапазоне частот. Наибольший интерес представляет излучение в СВЧ диапазоне. Это связано с тем, что при наблюдениях факела горения реактивного двигателя, расстояние от объекта излучения до приемной аппаратуры является достаточно большим. При этом атмосфера, облака, осадки, туман интенсивно поглощают излучение в оптической и инфракрасной части спектра. Поглощение же в сантиметровом и миллиметровом диапазонах существенно меньше. Поэтому для обнаружения, идентификации и диагностики факела горения актуальным является дальнейшее изучение его свойств СВЧ излучения. В литературе практически отсутствуют материалы теоретических и экспериментальных исследований направленных свойств радиотеплового излучения плазмы в СВЧ диапазоне волн, которые являются важной характеристикой излучающего объекта. Фа-
4 кел горения реактивного двигателя не является точечный источнике» излучения, а представляет собой объемное тело квазицилиндрическої конфигурации. В связи о этим естественно ожидать, что излучени< не будет равномерным во всех направлениях и, по-нидимому, буде! обладать направленными свойствами.
Таким образом, исследование направленных свойств излучеи факела горения в СВЧ диапазоне волн является актуальной задачей что и обусловило выбор темы исследования. В качестве объекта исследования выбран факел горения модели твердотопливного реактивного двигателя, предметом исследования явилось сверхвыоокочао-тотное излучение факела горения. Цель работы - исследование направленных свойств СВЧ излучения факела горения.
Цель исследования и выдвинутая гипотеза о неизотропном характере излучения факела горения позволили наметить следущие задачи:
создание математической модели, которая позволяла бы исследо вать направленные и спектральные характеристики излучения факел, горения для теоретического подтверадения выдвинутой гипотезы і неизотропном характере излучения факела горения;
разработку методики проведения експерименте для измерения излу чательной способности факела горения модели твердотопливного ре активного двигателя, в соответствии о требованиями адекватног сравнения расчетных и екопериментальных данных;
экспериментальное измерение и построение диаграмм направленное ти излучения факела горения твердотопливного реактивного двигате ля для различных частот в пределах СВЧ диапазона;
сравнение теоретических и экспериментальных данных с целью ус тановления адекватности математической модели и пригодности е для теоретических расчетов диаграмм направленности факела горени твердотопливного реактивного двигателя.
Научная новизна работы состоит в том, что поставлена и реше на теоретически и експериментально задача исследования направлен ных свойств излучения факела горения модели твердотопливного ре активного двигателя в СВЧ диапазоне волн, в связи о втим:
-
Построена математическая модель направленного излучения плаз менной среды типа факел горения реактивного двигателя в СВЧ диа пазоне волн.
-
Впервые експериментально измерены диаграммы направленност
5 факела горения твердотопливного реактивного двигателя в СВЧ диапазоне' волн.
3. Проведен анализ теоретически рассчитанных и экспериментально измеренных диаграмм направленнооти факела горения, в результате которого установлено, что предложенная математическая модель излучательной способности факела горения адекватна в СВЧ диапазоне и позволяет теоретически изучить спектральные характеристики и характеристики направленности излучения. Адекватность подтверждена сравнением расчетных (на модели) и экспериментальных данных.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается удовлетворительным их согласием с имеющимися в литературе данными о спектральных характеристиках излучения плазмы и собственными экспериментальными результатами по измерению спектральных характеристик и характеристик направленного излучения факела горения. Достоверность экспериментальных результатов - корректно обоснованными условиями проведения эксперимента.
Практическая значимость работы заключается в том, что в ней подтверждена выдвинутая гипотеза о неизотропном характере излучения факела горения экспериментально и расчетным путем. Эта задача практически значима для целей обнаружения, идентификации и диагностики плазмы факела горения. Разработанная математическая модель позволяет с допустимой степенью точности прогнозировать диаграммы направленнооти факелов горения реальных твердотопливных реактивных двигателей. Особенностью предложенного алгоритма является то, что для расчета диаграмм направленности факела горения входная информация будет определяться по измеренным экспериментальным данным - радиояркостным температурам.
На защиту выносятся:
-
Обоснование и анализ математической модели излучательной способности плазменной среды.
-
Результаты экспериментальных исследований направленных свойств излучения факела горения на различных частотах СВЧ диапазона.
-
Результаты расчета угловой зависимости излучательной способности плазменного слоя, полученные о помощью созданной математической модели.
-
Анализ результатов экспериментальных исследований с результатами расчета на математичеокой модели спектрального излучения плазменного образования.
5. Анализ результатов расчета на математической модели угловой зависимости излучательной способности с результатами экспериментального исследования направленного излучения факела горения.
Апггробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обоуадалиоь на научных конференциях в КЙ1ЭИ. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объем диссертации.