Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Принстонского университета смоделировали взаимодействие высоковольтного стримерного разряда с ударной волной. Такая волна образуется при разгоне летательного аппарата до скорости выше звуковой. Оказалось, что когда разница плотностей газа по разные стороны волны превышает 20%, разряд не может ее преодолеть и начинает распространяться вдоль самой волны. Полученные данные помогут более точно моделировать условия вокруг сверхзвуковых самолетов и космических кораблей. Результаты работы опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.

Стримерные разряды в неоднородных газовых средах можно наблюдать в естественных условиях. В атмосфере Земли возникают разряды, которые распространяются от поверхности земли к ионосфере и в обратном направлении. Плотность воздуха на пути распространения таких разрядов изменяется в десятки и сотни раз. Благодаря этому в верхних слоях атмосферы рождаются возбужденные плазменные области в форме колец (эльфы) и струй (джеты и спрайты) (рисунок 1). На относительно небольших высотах (до 10 км) разряды в атмосфере Земли распространяются в виде стримерно-лидерных структур, которые приводят к возникновению всем хорошо известного молниевого разряда. Такие разряды могут вывести из строя электронику самолета или космического корабля. 90% ударов молний в эти объекты происходят из-за электрических пробоев, которые инициирует сам летательный аппарат.

Рисунок 1. Явления, порождаемые разрядами в атмосфере. Источник: wikipedia

Импульсные высоковольтные разряды часто используют в аэродинамике для управления воздушным потоком. При помощи быстрого нагрева небольшого объема газа можно управлять турбулизацией потока, отрывными и нестационарными течениями, а также конфигурацией ударных волн перед объектами, движущимися в атмосфере со сверхзвуковой скоростью. Неравновесное возбуждение газа импульсными разрядами позволяет эффективно управлять горением топливных смесей, которые могут включать газовые струи, аэрозоли или капли. Поэтому изучение взаимодействия разрядов с ударными волнами и другими неоднородностями газа имеет большое практическое значение.

В своей работе ученые рассмотрели случай, когда стримерный разряд пересекает ударную волну. Исследователи изучали взаимодействие плазмы с ударной волной как экспериментально (рисунок 2), так и с помощью численного моделирования одиночного пробоя. Он распространялся в 15-сантиметровом воздушном промежутке. Плотность модельного газа изменялась ступенчато от положительного электрода до отрицательного. Отрицательным электродом была плоская пластина, а положительным — пластина с иглой в центре, на кончике которой инициировался разряд. Ученые поднимали напряжение на зазоре за 1 наносекунду до 100 кВ, а затем оставляли постоянным на этом уровне. Распространение волны ионизации газа в самосогласованном электрическом поле происходило за счет лавинной ионизации газа на фронте волны и фотоионизации перед ней. Ученые наблюдали за поведением такой волны ионизации при пересечении границ областей газа разной плотности.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки по исследованию распространения импульсных разрядов в среде с разрывами плотности. Установка состоит из ударной трубы — генератора ударных волн, синхронизированного с ней высоковольтного генератора, создающего наносекундные импульсы амплитудой до 250 кВ и максимальным током до 5 кА, и системы диагностики. Рисунок предоставлен авторами исследования.

Николай Александров, профессор МФТИ, главный научный сотрудник лаборатории импульсных плазменных систем МФТИ, комментирует: «Сделанное нами моделирование стримерного разряда в сильно неоднородном газе показало, что его характеристики резко меняются при достижении границы между участками с различной плотностью. В случае распространения плазмы из области с высокой плотностью газа в разреженную область, диаметр канала увеличивается, а электрическое поле в головке разряда уменьшается. При движении в противоположном направлении разряд ведет себя иначе. Если разница параметров небольшая, разряд свободно проходит в газ с более высокой плотностью. Когда ее увеличение превышает 20%, движение разряда в первоначальном направлении блокируется. В результате он начинает развиваться в виде плазменного “блина”, “растекающегося” вдоль границы раздела областей газа».

Ученые также рассмотрели случай, когда волна ионизации проходит через неоднородности, в которых плотность газа меняется плавно. Результаты расчетов показывают, что наличие переходной части, длина которой значительно превышает диаметр стримерного разряда, позволяет ему плавно изменять форму и продолжать движение без резких изменений скорости и диаметра канала. Уменьшение длины градиента плотности до характерного диаметра плазменного канала приводит к значительным изменениям параметров разряда. Когда же толщина переходной области заметно меньше диаметра стримера, градиент плотности газа оказывает почти такое же влияние на распространение тока, как и разрыв бесконечно малой толщины.

Исследователи нашли условия, когда газообразная среда на короткое время перестает проводить ток в выделенном направлении. Разрыв в плотности среды «от разреженного газа к плотному» формирует своего рода «газодинамический диод» — удивительное физическое явление, когда газовый разряд может развиваться в одном направлении и не может в обратном. «Газодинамический диод» останавливает развитие разряда в направлении электрического поля и перенаправляет плазменный канал вдоль границы раздела областей разной плотности, блокируя замыкание разрядного промежутка. В обратном направлении плазменный канал развивается лишь с незначительными изменениями скорости его распространения, в результате чего происходит перекрытие промежутка между электродами, приводящее к формированию проводящего канала между электродами.

Полученные результаты позволят лучше моделировать процессы управления газовыми потоками вокруг сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов.