Исследование ВЧ-разряда в сверхзвуковом потоке и магнитном поле

УДК 533.в

В. Е. Подзин, В. П. Фомичев, А. Б. Шевченко,

М. А. Ядренкин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЧ-РАЗРЯДА В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ И МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Ключевые слова: магнитогидродинамическое взаимодействие, сверхзвуковой поток, высокочастотный разряд.

Экспериментально показано существенное влияние высокочастотного (ВЧ) разряда у плоской пластины в магнитном поле на условия обтекания модели, в частности на конфигурацию присоединенных скачков уплотнения. Получены основные характеристики разряда.

Key words: magnetohydrodynamic interaction, supersonic flow, radiofrequency discharge.

The experiments had shown a significant effect of the radiofrequency (RF) discharge near a flat plate in a magnetic field on the conditions of the flow, in particular on the configuration of the attached shock waves. Basic discharge characteristics were obtained.

Развитие гиперзвуковых летательных и возвращаемых космических аппаратов, создание высокоскоростных прямоточных двигателей инициировало внедрение инновационных МГД способов управления обтеканием аппаратов и их систем. Такие бесконтактные способы управления потоком показали свою эффективность в ряде экспериментальных и численных исследований [1-5]. Для достижения плазменных эффектов ионизация потока может осуществляться различными способами: термическая ионизация, электронный пучок, а так же различные типы электрических разрядов. Объектом данных исследований является ВЧ-разряд. Использование ВЧ-разряда для ионизации потока интересно тем, что между МГД-электродами, создается локальная область проводимости потока и поддерживается электрический контакт потока с электродами.

Экспериментальное исследование влияния ВЧ-разряда с частотой около l МГц на картину обтекание пластины проводилось на МГД-стенде [в] по схеме, представленной на рис. l. Направление набегающего потока обозначено жирной стрелкой. Перпендикулярно потоку вертикально направлены линии магнитной индукции. Между электродами, расположенными по бокам нижней плоскости модели, нормально к потоку и магнитному полю инициировался ВЧ-разряд. Площадь каждого электрода 1.5 х 15 мм , расстояние между электродами 50 мм. Генератор ВЧ-тока работал в режиме генератора тока. Ток разряда поддерживался на уровне В А при напряжении холостого хода около В кВ. Скорость натекающего воздушного потока на модель была около 2000 м/с, число Маха М = в, статическое давление ~ 12 Тор, статическая температура ~ 270 К. Время существования разряда 290 мкс, характерное время обтекания пластины по маршевой координате составило порядка 25 мкс.

в-field

Electrical discharge/

Рис. 1 - Схема эксперимента

а

Рис. 2 - Течение у плоскости с ВЧ-разрядом (а) без потока и магнитного поля, (б) с потоком при В = 2 Тл

Рис. 3 - Осциллограммы тока и напряжения ВЧ-разряда. В потоке. В = 1,5 Тл

В ходе эксперимента были получены фотографии разряда и осциллограммы тока и напряжения без потока и магнитного поля и в магнитном поле, а также в потоке без магнитного поля и с магнитным полем. На рис. 2 представлены характерные фотографии области ВЧ-разряда без потока и магнитного поля (рис. 2,а) и в потоке при величине магнитной индукции 2 Тл (рис. 2,6). Как видно на фотографиях, в покоящемся газе без магнитного поля разряд занимает область между электродами в направлении у (рис.2,а). В потоке без магнитного поля область разряда «сдувается» потоком за пределы модели. Включение магнитного поля приводит к локализации разряда между электродами. При этом областью разряда генерируется второй косой скачок уплотнения (рис. 2,6).

На рис. 3 показаны типичные осциллограммы тока и напряжения ВЧ-разряда. В разрядной области поддерживается практически постоянное сопротивление, и, следовательно, ионизация. В предположении, что поперечное сечение области разряда претерпевает слабые изменения в магнитном поле, были получена оценка зависимостей сопротивления разрядного промежутка и параметра Холла в от величины индукции внешнего магнитного поля (рис. 4).

Экспериментально показано, что ВЧ-разряд частотой около 1 МГц может быть эффективно использован для ионизации сверхзвукового потока в поперечном магнитном поле и создания неравновесной, по отношению параметров потока, локализованной области проводимости. Об этом свидетельствует существенное влияние магнитогидродинамического взаимодействия на волновую картину обтекания модели. Природу полученных эффектов

планируется исследовать в последующих экспериментальных работах, посвященным МГД-управлению обтеканием тел сверхзвуковым потоком воздуха.

В, Тл В, Тл

Рис. 4 - Зависимости сопротивления разрядного промежутка и параметра Холла от

величины магнитной ндукции

Литература

1. Fomin, V. M. Study of MHD-interaction in hypersonic streams / Fomichev V. P, Golovnov I. A., Korotaeva T. A., Pozdnyakov G. A., Pravdin S. S., Shashkin A. P., Yakovlev V. I. //AIAA 2004-1193, 2004.

2. Fomin, V.M. Simulation of the MHD-effect upon a flow around a wedge / Maslov A.A., Korotaeva T.A., Shashkin A.P., Malmuth N.D // 15th Int. Conf. on MHD energy conversion and 6th Int. Workshop on MPA, Moscow, May 24-27, 2005, Proc. V. 2, p. 583.

3. Bityurin, V.A. MHD parachute in reentry flight induced electric field effects in hypersonic MHD flow / Bocharov A.N. // 2nd International ARA Days, October 21-23, 2008, Arcachon, France.

4. Bityurin, V.A. Non-equilibrium effects in hypersonic MHD flow / Bocharov A.N., Baranov D.S., Popov N.A.// 8th international workshop on magneto-plasma aerodynamics. Moscow. 31 March - 02 April 2009. P.281-290

5. Fomichev, V. P. The experimenal study of the electrical discharge over the flat plate in a hypersonic air flow at the magnetic field / М. А. Yadrenkin, V. E. Podzin, A. B. Shevchenko // 10th international workshop on magneto-plasma aerodynamics, March 22-24, 2011. P.80-82

6. Головнов, И.А. Экспериментальный комплекс для моделирования и исследования МГД-взаимодействия в гиперзвуковом потоке / Г.А. Поздняков, С.С. Правдин, В.Е. Подзин, Т.И. Пушкарева, В.М. Фомин, В.П. Фомичев, В.И. Яковлев // Препринт №7-2003 - Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 2003. - 26 с.

© В. Е. Подзин - сотр. Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (г. Новосибирск); В. П. Фомичев - д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (г. Новосибирск), fomichev@itam.nsc.ru; А. Б. Шевченко - сотр. того же института; М. А. Ядренкин - асп. того же института, уа^епкт@йат .nsc.ru.