ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 487-493
УДК 533.95
УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ "НАМАГНИЧЕННОЙ" СФЕРЫ С ГИПЕРЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ
РАЗРЕЖЕННОЙ ПЛАЗМЫ © 2015 г. В. А. Шувалов, Н. А. Токмак, Н. И. Письменный, Г. С. Кочубей
Институт технической механики НАН Украины, г. Днепропетровск E-mail: shuv@vash.dp.ua Поступила в редакцию 27.02.2014 г.
Проведен параметрический анализ, получены зависимости "магнитных" составляющих коэффициентов силы сопротивления и подъемной силы "намагниченной" сферы в гиперзвуковом потоке разреженной плазмы от угла между вектором скорости потока и вектором индукции собственного магнитного поля тела, а также от отношения магнитного давления к газодинамическому давлению потока плазмы. Показано, что изменение взаимной ориентации векторов магнитного поля тела и скорости набегающего потока является эффективным средством управления динамическим взаимодействием в системе "плазма—сфера" и позволяет реализовывать режим взаимодействия с ненулевым аэродинамическим качеством и режимы торможения и ускорения "намагниченной" сферы в гиперзвуковом потоке разреженной плазмы.
Б01: 10.7868/80040364415030163
ВВЕДЕНИЕ
Технологии создания компактных источников сильных магнитных полей на основе сверхпроводящих материалов сделали идею магнитогидро-динамического (МГД) управления летательными аппаратами вполне реальной. В применении к ракетно-космической технике взаимодействие "намагниченного" тела (тела с собственным магнитным полем) с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы характерно для двух систем: гиперзвуковых летательных аппаратов, движущихся под "магнитным парашютом" на высотах 50—75 км в атмосфере Земли [1—3], и космических аппаратов (КА), движущихся под "магнитным парусом" в плазме солнечного ветра в межпланетном пространстве и в ионосфере Земли на высотах 800-1000 км [4-7].
МГД-взаимодействие спускаемых аппаратов (СА) с атмосферой Земли реализуется при малых значениях магнитного числа Рейнольдса Яет = цст < 1 (здесь ц — магнитная проницаемость, а — проводимость плазмы за ударной волной, и* — скорость потока, Яуу — характерный линейный размер СА) и значениях чисел Стюарта в
диапазоне 1 < 0В = Яет ^ < 103, где = В„/2ц —
Рй
магнитное давление, Вж — индукция собственного магнитного поля СА, Рё = раД^/2 — скоростной напор (динамическое давление), р* — плотность набегающего потока [3].
Практически во всех работах, посвященных исследованию МГД-взаимодействия в системе "спускаемый аппарат—плазма", рассматривается
случай, когда Бж Т^ и„ (Ц* — вектор скорости набегающего потока разреженной плазмы, Б^ — вектор индукции собственного магнитного поля тела). Магнитное поле с индукцией порядка 0.5 Тл экранирует поверхность СА от прямого контакта с потоком плазмы, образующейся между ударной волной и поверхностью тела. Сила Лоренца, возникающая в результате воздействия магнитного поля СА на плазму в сжатом ударном слое, отодвигает ударную волну от поверхности, а реактивная сила тормозит тело. При Бж Т^ и„ у поверхности затупленного тела формируется искусственное плазменное образование (ИПО) струйного типа [8]. Следствием динамического взаимодействия в такой системе является уменьшение конвективных тепловых потоков и эффективное торможение тела. Для спускаемых аппаратов в атмосфере Земли МГД-система может служить альтернативой неразрушающейся многоразовой теплозащите [2, 9].
Для тел, движущихся под "магнитным парусом" в плазме солнечного ветра и в атмосфере Земли, как правило, Бж ± иЧисленные оценки работ [4, 5] показывают, что в ионосфере Земли и в межпланетном пространстве собственное магнитное поле тела позволяет эффективно управлять движением КА, если Яет > 1, Р^/Рл > 101.
Экспериментально возможность управления динамическим взаимодействием твердого тела с гиперзвуковым потоком сильно разреженной плазмы с помощью собственного магнитного поля практически не подтверждена.
Цель данной работы — экспериментально подтвердить возможность эффективного управления динамическим взаимодействием (силой сопротивления и подъемной силой) "намагниченной" сферы с гиперзвуковым потоком бесстолкнови-тельной плазмы и получить зависимости "магнитных" составляющих коэффициентов силы сопротивления сВх и подъемной силы сВу сферы от угла 9 между векторами и Бу для широкого диапазона значений параметра РВж/ Рй.
rjRw < 1. Здесь w^v^ - параметр Холла; юаБ -ларморовская (циклотронная) частота ионов и электронов; vam = vai + va„, где Va, и Va„ (a = e, i) -средние частоты соударений электронов и ионов с ионами и нейтралами соответственно.
Реализация на стенде в физическом эксперименте приведенных условий взаимодействия тела с гиперзвуковым потоком замагниченной плазмы позволяет предположить, что выявленные в ходе исследований закономерности динамического взаимодействия в системе "намагниченное тело-плазма" могут быть использованы для определения "магнитных" составляющих коэффициентов подъемной силы cBy и силы сопротивления ca КА в ионосфере Земли и в межпланетном пространстве.
ПАРАМЕТРЫ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ В СИСТЕМЕ "КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ-ПЛАЗМА"
Для "ненамагниченного" КА (Вф = 0) с характерным размером Яу ~ 103 м в плазме солнечного ветра магнитное число Рейнольдса Яет > 1, ге1 Яф ~ ~ 1, г/Яф ^ 1, Яф/Xй - 102, скоростное отношение 8 = VI « 10 (здесь г■ е — ларморовские радиусы ионов и электронов, — дебаевский радиус в невозмущенной плазме, — скорость потока плазмы солнечного ветра [10]).
В ионосфере Земли на высотах 800—1000 км "ненамагниченный" КА с характерным размером Яу ~ 1 м взаимодействует с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы при Яет > 1, ге/Яф < 1, г,/1ф > 1, Яф/Xй - 102, Б1 = и„/У, « 5.2, — скорость КА [11]. Для КА в ионосфере Земли и в плазме солнечного ветра частично выполняются условия МГД-приближения [12]:
1) тт > Ю-1, где тВ = 2Яф/и^ — временной масштаб макроскопических изменений в плазме, ыер — плазменная (ленгмюровская) частота;
2) Тт > Vет!Юр , где vem = Vе, + Vеп — средние частоты соударения электронов с ионами и нейтра-
^ -1
лами; условие тЯ, > Vет не выполняется.
Собственное магнитное поле существенно изменяет картину течения, структуру пространственного распределения заряженных частиц и характер динамического взаимодействия твердого тела с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы.
При Бу~ 0.1 Тл и > 1 для КА в ионосфе-
ре Земли на высотах 800—1000 км при Яу ~ 1 м и КА в межпланетном пространстве при Яу ~ 103 м гиперзвуковой поток полностью замагниченной
разреженной плазмы (юаВvam 101) взаимодействует с "намагниченным" (Вф Ф 0) телом при
ПАРАМЕТРЫ ПОТОКА В СИСТЕМЕ "ПЛАЗМА—ТЕЛО" НА СТЕНДЕ
При проведении экспериментальных исследований в вакуумной камере плазмодинамического стенда Института технической механики в рабочем сечении струи при рабочем давлении 4 х 10—3 Н/м2 реализованы следующие значения параметров набегающего потока разреженной плазмы частично диссоциированного азота: концентрация ионов — 2 х 1014 < N1 < 2 х 1015 м—3, скорость направленного движения ионов — 8.1 < < 15.6 км/с, степень диссоциации ионного компонента 2,й ~ 0.6, средняя масса ионов Ы1« 19.6 а.е.м., температура электронов Те ~ 2.6 эВ, температура ионов Те ~ 0.52 эВ, температура нейтральных частиц Тп ~ 0.23 эВ, концентрация нейтралов N ~ 1.4 х 1017 м—3, средняя скорость направленного движения нейтральных частиц Лп ~ 6 х 102 м/с, степень ионизации — 10—3 < 2, < 10—2, скоростное отношение для ионов — 3.6 < Б1 < 6.9, проводимость плазмы — 1.4 х 102 < а < 1.9 х 103 Ом1 м—1, индукция внешнего магнитного поля Бх ~ 1 х 10—3 Тл, диаметр ядра струи ~3 х 10—1 м (область с равномерным по сечению распределением скорости, концентрации заряженных частиц и индукции внешнего магнитного поля), скоростной напор потока — 2 х х 10—4 < Рй < 2 х 10—2 Н/м2.
В качестве исследуемого тела использовались три диэлектрические сферы из фторопласта-4 радиусом Яу = 4.35 х 10—2 м, 5.25 х 10—2 м и 6.5 х 10—2 м. В потоке на стенде реализованы следующие параметры: 1.3 х 10—5 < V-т < 2.4 х 10—5 с, 8 х 108 < юер <
< 4 х 109 с1, 101 < Яет < 2.6 х 102, 5.2 х 101 <
< Яф /X й < 3.8 х 102, 7.6 < ъ/Вф < 11.3, 8 х 10—2 <
< ге/Яф < 1/3 х 10—1. Таким образом, Яет > 101, Вф/Xй > 102, ге/Яф < 1, г(1Вф > 1. Кроме того, для "ненамагниченных" сфер в потоке разреженной
Рис. 1. Обтекание "намагниченной" сферы гиперзвуковым потоком плазмы при: (а) — Вцт = 0, (б) — 9 = 170°, (в) — 120°, (г) — 100°, (д) — 80°, (е) — 50°.
плазмы на стенде выполняются два условия МГД-приближения [12]:
1) Тт> ю-Р (5.6 X 10-6 < тК1< 1.6 X 10-5 с),
2) т т > VЦи,
С "намагниченными" сферами при Вж > 2 х х 10—2 Тл (В^г — индукция магнитного поля на поверхности сферы) на стенде взаимодействует гиперзвуковой поток разреженной замагниченной
плазмы: ге/К№ < 1, ц/Я^ < 1, ю^Ц > 1, ыеВч-1т > 1.
В качестве источников собственного магнитного поля использовались два соленоида с размерами:
1) внешний диаметр Б^ = 5 х 10—2 м, длина Ь01 = = 3.4 х 10—2 м, внутренний диаметр й8 = 2 х 10—2 м;
2) Б0 = 6 х 10—2 м, Ц = 6 х 10—2 м, = 1.5 х
' 02 02 ' 02
х 10—2 м.
Магнитный момент соленоидов лежит в диапазоне от Рт = 2.1 х 10—7 Тл м3 до Рт = 4.5 х 10—5 Тл м3. При этом 7.2 < < 1.1 х 105. Индукция маг-
нитного поля на поверхности сферы при кратковременном пропускании тока силой до 10 А достигала максимальных значений В™х < 2 х 10—1 Тл; минимальные значения — В^1" > 8 х 10—4 Тл.
При измерении индукции магнитного поля и модуля магнитного момента Рт использовался магнитометр. Погрешность измерения Рт составляла не более 10—2 А м2. Для применяемых соленоидов (Я0/Яж < 0.6 и Ь8/< 0.6) распределение осевой Bz и радиальной Вр составляющих магнитного поля на расстоянии ^ 0.8 и р/> 0.8
от центра сферы соответствует дипольному полю В, = Рт/2п,3 и Вр = Рт/4пр3 [13].
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ У ПОВЕРХНОСТИ "НАМАГНИЧЕННОЙ" СФЕРЫ
Экспериментальные исследования динамического взаимодействия в системе "плазма—"на-магниченная" сфера" проводились на плазмоди-намическом стенде в стационарном режиме. Детали техники эксперимента приведены в [8, 14].
Изменение структуры поля течения у поверхности "
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.