Физики и механики разработали теоретическую модель, описывающую процесс формирования нитевидных микроволновых разрядов в газах. В этом случае газ нагревается дотемператур порядка 830°С и выше, и в нем формируется большое количество заряженных и возбужденных частиц. Это явление можно использовать в аэродинамике и космонавтике, чтобы воздействовать на потоки газа вблизи летательных аппаратов и тем самым управлять полетом, поскольку эти структуры влияют на скорость и траекторию движения аппарата. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.
Вблизи летательных аппаратов, движущихся со сверхзвуковой скоростью, например, спускаемых на поверхность Земли или других планет, возникают зоны точечного нагрева и изменения плотности газа, которые могут влиять на направление и скорость движения объекта. Поэтому, чтобы контролировать движение аппарата, потоками нагретого газа нужно уметь управлять. Это можно делать с помощью плазменных структур —заряженных газовых областей, — сформированных с помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) разрядов на некотором расстоянии от поверхности летательного аппарата.
Научные группы из разных стран пытаются получить оптимальные режимы СВЧ-разрядов, при которых воздействие на сверхзвуковые потоки газа было бы максимально эффективным. Существует два основных режима СВЧ-разряда — диффузный и нитевидный. В первом случае заряженные частицы распределены в виде облака, а во втором — стягиваются в тонкую нить. Исследования показали, что именно во втором режиме СВЧ-разряд приводит к максимальному нагреву в области формирования разряда и к снижению плотности газа перед летательным аппаратом, что облегчает его движение.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и из Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ (Казань) разработали теоретическую модель, описывающую формирование плазмы СВЧ-разрядов в молекулярных газах. В частности, авторы исследовали переход из диффузной формы разряда в нитевидную в азоте. Азот был выбран в качестве плазмообразующего газа, поскольку это один из основных компонентов воздуха.
При построении модели авторы использовали систему большого числа математических уравнений, которые описывают все основные параметры разряда в газе. Так, в расчетах учитывались взаимодействия между молекулами газа, параметры электромагнитного поля, изменения плотности и температуры газа в области формирования разряда.
Моделирование показало, что диффузный разряд сначала вытягивается в виде «облака» заряженных и возбужденных частиц, а затем переходит в форму нитевидного плазмоида — более плотного «сгустка». При таком переходе резко возрастает концентрация заряженных частиц преимущественно вдоль центральной оси плазмоида.
Согласно модели, по мере роста плазмоида его температура увеличивается от 185°С до 830°С за 10-15 микросекунд. Это объясняется тем, что при взаимодействии возбужденных частиц азота выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева газа, снижая его плотность.
Дополнительно ученые исследовали, как на формирование разряда влияют примеси кислорода — еще одного важного компонента атмосферного воздуха. Оказалось, что в этом случае газ в области формирования разряда нагревается примерно на 4 микросекунды быстрее, чем в чистом азоте. Это объясняется более интенсивным выделением энергии при взаимодействии заряженных частиц азота и молекул кислорода.
В итоге авторам удалось описать процесс формирования СВЧ-разрядов, а также изменения, которые происходят в газе при возникновении в нем нитевидного разряда. Все полученные результаты помогут в разработке так называемых плазменных актуаторов —устройств для управления газовыми потоками у поверхности летательных и спускаемых космических аппаратов.
«Предложенная модель интересна как с фундаментальной точки зрения, поскольку позволяет описать, как меняются параметры СВЧ-разрядов, и воспроизвести их различные формы, так и с прикладной, потому что помогает прогнозировать оптимальные условия для снижения плотности газа в сверхзвуковых потоках. Это даст возможность управлять скоростью и направлением движения летательных аппаратов, а значит, снизить вероятность их крушения. В будущем мы планируем дополнить предложенную модель, учтя в ней движение частиц газа, содержащего молекулы кислорода. Это позволит точнее описать поведение разрядов в воздухе», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Алмаз Сайфутдинов, доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КА
