ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 4, с. 516-522
УДК 537.525
ПОПЕРЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В СВЕРХЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ВОЗДУХА. МЕХАНИЗМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И НЕУСТОЙЧИВОСТИ РАЗРЯДА
© 2004 г. А. П. Ершов, О. С. Сурконт, И. Б. Тимофеев, В. М. Шишков, В. А. Черников
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Поступила в редакцию 26.06.2003 г.
Методом скоростной фоторегистрации изучена динамика распространения импульсного поперечного разряда в сверхзвуковых струях. Показано, что поток не разрушает разрядный канал, а сносит его, определяя скорость распространения и, соответственно, конфигурацию разрядного канала. В силу того что в поперечном разряде всегда существует часть канала, перпендикулярная потоку, такой разряд принципиально не может быть стационарным.
Протяженность разряда вдоль потока ограничена повторными пробоями, связанными с одним из двух механизмов неустойчивости. Первый механизм обусловлен неустойчивостью, вызванной внешней электрической цепью, при этом повторный пробой является следствием, а не причиной колебательного характера горения разряда. В режиме генератора тока, когда характеристики внешней цепи не влияют на разряд, собственно повторный пробой представляет собой механизм неустойчивости разряда. При этом он происходит, как правило, между анодной и катодной частями разрядного канала.
ВВЕДЕНИЕ
Электрические разряды в сверхзвуковых потоках, прежде всего, исследуются применительно к решению задач сверхзвуковой аэродинамики, таких, как снижение лобового сопротивления сверхзвуковых летательных аппаратов, улучшение их маневренности, воспламенение горючего и повышение эффективности горения в прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Эти задачи становятся принципиальными при переходе к гиперзвуковым скоростям полета, где, по-видимому, у плазменных технологий нет альтернативы.
С точки зрения указанных приложений электрические разряды в сверхзвуковых потоках изучались, прежде всего в ЦАГИ, неоднократно [1-5]. Наибольшее внимание уделялось способам организации и характеристикам энерговклада в такие разряды. Экспериментально исследовались конфигурации как с взаимно перпендикулярной [1-3], так и с параллельной [5] ориентацией прикладываемого электрического поля и газового потока, а также комбинированный тип разряда [3-4]. Наиболее общим и сложным для интерпретации случаем является разряд с взаимно перпендикулярной ориентацией прикладываемого электрического поля и потока. Проведенные к настоящему времени исследования "поперечного" разряда, создаваемого источником постоянного тока, позволили определить его характерные особенности [1-4].
Разряд представляет собой два узких протяженных канала вдоль потока, яркость которых существенно превышает яркость зоны перемыкания между ними (при фоторегистрации с экспозицией в десятые и сотые доли секунды), так что разрядный канал кажется незамкнутым. Напряжение горения разряда существенно превышает напряжение горения в отсутствие потока, достигая единиц киловольт, при этом ток и напряжение разряда испытывают колебания, близкие к периодическим, в диапазоне частот 101-102 кГц.
Однако физическая причина этих особенностей осталась неясной, поскольку самые простые вопросы - чем определяются высокие значения напряжения на разряде, каков механизм осцилля-ций тока и напряжения, как замыкается электрический ток - остались без ответа. Систематические данные как о макроскопических характеристиках разряда (протяженность, период колебаний и т.д.), так и о микроскопических характеристиках плазмы (температура, концентрация, электрическое поле) получить пока не удалось. Во многом это обусловлено тем, что исследования были ограничены разрядом постоянного тока и, как следствие, узким диапазоном внешних параметров, регистрацией и анализом усредненных по времени и координатам характеристик разряда.
Ясно, что нестационарный характер горения поперечного разряда постоянного тока в потоке требует не только изучения его поведения во времени, но и анализа параметров разряда вместе с
характеристиками внешней цепи. Поэтому в настоящей работе основное внимание было уделено исследованию импульсных разрядов в сверхзвуковых газовых струях. Импульсный режим дал возможность не только детально изучить поведение разряда во времени, но и в широких пределах проварьировать внешние параметры разряда и реализовать режим генератора тока, когда ток не зависит от времени, параметры плазмы являются функцией только тока, а характеристики внешней цепи можно не учитывать. Использование струй позволило изменять и параметры потока. Следует отметить, что подобный объем исследований в аэродинамических трубах был бы чрезвычайно дорог. Определенное усложнение условий, возникающее из-за неоднородности потока в газовых струях, позволило, с другой стороны, лучше понять роль газодинамического фактора в формировании разряда.
Экспериментальная установка. Эксперименты проводились на стенде, блок-схема которого показана на рис. 1. Базовым элементом стенда является барокамера, представляющая собой цилиндр из нержавеющей стали длиной 3 м и диаметром 1 м. Она состоит из двух герметично соединяющихся частей, размещенных на рельсах, что позволяет легко разъединять их для монтажа экспериментального и диагностического оборудования внутри камеры. На боковой поверхности камеры расположено 26 диагностических окон диаметром от 10 до 50 см.
Аэродинамический тракт включает компрессор с баллоном объемом 230 л, электромеханический клапан, канал диаметром 50 мм и длиной 40 см вдоль вертикального диаметра камеры, заканчивающийся цилиндрическим соплом Лаваля с выходным диаметром ёс = 26 мм, рассчитанным на число Маха потока М = 2.
Для создания импульсного (а также импульс-но-периодического) разряда использовался модулятор с регулируемым выходным напряжением от 5 до 27 кВ и током во внешней цепи до 50 А, собранный по схеме с частичным разрядом накопительной емкости. Для обеспечения стабильного режима работы модулятора последний нагружался на согласующее безиндуктивное сопротивление 3.5 кОм, параллельно которому подключался разрядный промежуток с балластным сопротивлением. Величина последнего варьировалась от 0.5 до 50 кОм. Длительность импульса т менялась от 2 до 500 мкс при частоте повторения импульсов от 1000 Гц до 1 Гц и до 1000 мкс в разовом режиме.
Для создания разряда постоянного тока (РПТ) использовался стабилизированный источник питания с регулируемым напряжением до 5 кВ и максимальным током до 3 А.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки.
В качестве материала электродов использовались сталь или вольфрам. Электроды ромбовидного профиля сечением 3 х 1 мм размещались параллельно срезу сопла на расстоянии ~0.5 см от него. С целью симметрии газодинамических возмущений геометрия анода и катода идентична. Межэлектродное расстояние D0 варьировалось от 6 до 18 мм.
Схема синхронизации обеспечивала необходимую последовательность и временные интервалы между открытием клапана, включением-выключением разряда и запуском регистрирующей аппаратуры.
Для диагностики разрядов использовались: теневая установка, сверхскоростной фоторегистратор СФР-2М, автоматизированные зондовые схемы с оптической развязкой, автоматизированная система регистрации спектра на базе спектрографа СТЭ-1 с ПЗС-линейкой, а также 8-миллиметровый СВЧ-интерферометр.
Измеряемые сигналы регистрировались двух-канальными цифровыми запоминающими осциллографами Tektronix TDS-210.
Давление в рабочей камере р менялось в пределах 103-5 х 104 Па, а давление в ресивере компрессора Р0 = (1-8) х 105 Па1. Изучение газодинамики струй теневым методом показало типичную картину истечения: при малой степени нерасчет-ности n = р*/р < 2 (р* - давление на срезе сопла) наблюдается многобочечная структура струи, при больших значениях n > 1 - ярко выраженная первая "бочка" с диском Маха [6].
Механизм распространения разряда. Типичный внешний вид исследуемых разрядов показан
1 Значение р = 105 Па соответствует истечению из свободной атмосферы.
12 3
Рис. 2. Фотографии поперечных разрядов в сверхзвуковом потоке (поток направлен сверху вниз). М = 2, Р0 = 105 Па, р = 5.3 х 103 Па, I = 4.3 А, Б = 10 мм. 1, 2 - импульсный разряд, интегральное свечение за время импульса 1 - т = 50 мкс, 2 - т = 250 мкс; 3 - разряд постоянного тока, время экспозиции 1/60 с.
^мкс 32 64 96 128 160 192 224 256 288
- 0 о и и о ( Л/ГТГГ* )(1 ' > /
' , 320 / 1 ) 1 1 352 384 416 ИII 448 480 512 544 ¡4 (
Рис. 3. Развитие импульсного разряда в сверхзвуковой струе, полученное с помощью СФР. Поток направлен сверху вниз. М = 2, Р0 = 2 х 105 Па, р = 1.3 х 104 Па, I « 20 А, т = 800 мкс, Б0 = 15 мм.
на рис. 2. Нетрудно видеть, что при фоторегистрации РПТ с экспозицией в сотые доли секунды структура свечения, отмеченная во введении, характерна не только для разрядов в однородных дозвуковых [1], сверхзвуковых [1-2] и гиперзвуковых (М = 6) потоках [7], но и для струй, истекающих из сопла в затопленное пространство (рис. 2).
Переход к импульсному разряду с варьируемой длительностью импульса т не приводит к изменению интегральной (за импульс) структуры свечения (рис. 2), а меняет только протяженность разряда вдоль потока. Последняя сначала линей-
но растет с увеличением т, а затем рост постепенно прекращается и она выходит на значение, близкое к протяженности разряда постоянного тока для данной газодинамической структуры потока [8]. Таким образом, несомненно, что плазма поперечного разряда сносится потоком, однако путь замыкания тока и факторы, ограничивающие протяженность разряда вдоль потока, таким способом выяснить невозможно.
Импульсный режим наряду с возможностью относительно несложного получения больших разрядных токов позволяет применить метод
сверхскоростной фоторегистрации и тем самым детально проследить развитие разряда. Типичная картина развития поперечного импульсного разряда в сверхзвуковой струе показана на рис. 3. Поток направлен сверху вниз. Фоторегистратор с двухрядной вставкой использовался в режиме покадровой съемки с длительностью одного кадра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.