CC BY
30
УДК 533.932
Ю. Ю. Протасов, Ю. С. Протасов, Т. С. Щепанюк
О ГЕНЕРАЦИИ СИЛЬНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ СЛОЖНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
Рассмотрены техника эксперимента, принципиальная схема и результаты исследований основных характеристик магнитоплазмо-динамического инжектора эрозионного типа, предназначенного для формирования сильных ударных волн, полностью свободных от тока, в широком диапазоне давлений в газах и средах сложного химического и ионизационного состава.
Динамические методы экспериментального исследования термодинамических, транспортных и оптических свойств газов и плазмы, основанные на вводе энергии в исследуемое вещество, вследствие вязкой диссипации энергии во фронте ударной волны, позволяют связать регистрируемые в эксперименте гидродинамические характеристики распространения ударного фронта и термодинамические свойства ударно-сжатой среды с последующим построением полного уравнения состояния [1, 2]. В данной статье описаны результаты экспериментального исследования динамических характеристик сильных ударных волн, генерируемых сильноточным магнитоплазмодинами-ческим инжектором, предназначенным для формирования за срезом ударных волн, полностью свободных от тока, в широком диапазоне давлений (р0 ~ 10... 107 Па) в газовых средах практически любого химического и ионизационного состава. Для тракта генерации плазменных потоков разработан коаксиальный сильноточный электромагнитный плазменный ускоритель плазмы эрозионного типа с токовым коллектором выносных токов, работающий в режиме сильной магни-тогидродинамической компрессии вещества.
Как установлено [3, 4], в целом ряде режимов работы магнито-плазмодинамического ускорителя (МПДУ) эрозионного типа плотная плазма (пе ~ (1017 ... 1019) см-3) при относительно невысоких температурах (Те ~ 2 ... 5 эВ) в зоне МГД-компрессии находится в условиях сильного межчастичного взаимодействия, так что параметр неидеальности среды Г = е2/(кТБ), где Б = (кТ/8ппее2)1/2, оказывается значительным. Характерные особенности МПДУ эрозионного типа, такие как возможность управления химическим (практически для всех металлов, диэлектриков и их композиций) и ионизационным (г ~ 1... 4) составом плазмы, широкий диапазон вкладываемых в разряд энергий (ДЖ0 ~ 102 ... 107 Дж), удобство диагностики и технологичность
экспериментов, делают его перспективным устройством для генерирования и исследования плотной и неидеальной плазмы, в особенности для случаев г = 1... 4.
В данной работе приведены результаты экспериментального исследования характеристик сильных ударных волн, генерируемых в зоне компрессии МПДУ, работающего на плазме металлов и полимеров, при максимальных значениях параметра ~ 1 (£ — число электронов в дебаевской сфере; г — кратность ионизации).
Экспериментальные условия и результаты. Исследования проводились на экспериментальной установке, подробно описанной в работе [5]. Магнитоплазменный ускоритель помещался в вакуумную камеру размером 0,8 х 3 м, в которой поддерживался вакуум не ниже ~ 10-1 Па. Для сбора сфокусированной плазмы на расстоянии I ~ 120 мм от среза МПДУ устанавливалась кварцевая труба, соединенная с наружным электродом с помощью керамической цилиндрической втулки диаметром 120 мм, выполняющей роль плазмосборника.
Схема магнитоплазмодинамического ударно-волнового генератора приведена на рис. 1. Генератор содержит коаксиальный ускоритель плазменных потоков эрозионного типа, срез которого через керамическую втулку большого диаметра — плазмосборник 5 и цилиндрический токовый коллектор 7 — соединен с кварцевой трубой 6, в которой и формируется плоская, свободная от тока ударная волна. Ускоритель выполнен из профилированных (по определенному закону, соответствующему объемному распределению тока в межэлектродном пространстве (канале)) электродов 1, 2, разделенных аблирующей втулкой 3 из материала заданного химического состава. Инициирующие разряд стержневые электроды 4 соединены с обкладками малоиндуктивной конденсаторной батареи. Токовый коллектор 7 с помощью коаксиаль-но расположенных цилиндрических тоководов 8 соединен электрически с токосъемными кольцами 9. Токосъемные кольца установле-
Рис. 1. Схема магнитоплазмодинамического ударноволнового генератора:
1 — профилированный анод; 2 — цилиндрический катод; 3 — диэлектрическая аблирующая втулка; 4 — инициирующие стержневые электроды; 5 — керамический (A^O^BNQ-плазмовод; 6 — кварцевая трубка; 7 — токовый коллектор; 8 — стержневой токовод; 9 — токосъемное кольцо
ны в зоне дефлаграционного токового слоя у поверхности втулки 3, это позволяет обеспечить токовую коммутацию, а также оптимальное перераспределение выносных токов из ускорителя в разрядную межэлектродную полость и их отсутствие в камере генерации ударной волны 6. Магнитоплазменный ускоритель плазмы эрозионного типа имеет следующие размеры электродной системы: длину 250, диаметр внутреннего электрода (катода) 20, а наружного анода 80 мм и помещен в вакуумную камеру с разрежением ~ 10-3 Па. Кварцевая труба 6 диаметром 40 мм, установленная на расстоянии I ~ 12 см от среза ускорителя, служит для транспортировки самосжатого выносными токами потока плазмы. Емкостный накопитель энергии ускорителя представляет собой сборку из малоиндуктивных конденсаторов общей емкостью С0 = 750 мкФ и рабочим напряжением и0 = 1... 5 кВ. Разряд в формирующем (ЯЬС) контуре ускорителя носит периодический характер с длительностью полупериода ¿/2 ~ 20 мкс и амплитудой тока /ртах ~ 540 кА. Характерные осциллограммы тока в разрядном контуре и СФР-грамма разряда приведены на рис. 2 и 3. Общая динамика развития разряда изучалась с помощью скоростного хронографа на основе камеры СФР-2М, работающей в режимах лупы времени и фоторегистратора. Пространственно-временное распределение плотности электронной компоненты изучалось с помощью теплеровской установки с лазерным осветителем и трехзеркального лазерного интерферометра, а тяжелой компоненты — по поглощению ультрамягкого (Л ~ 1 нм) рентгеновского излучения. Структура магнитных и электрических полей изучалась с помощью двойного электрического и холловского магнитного зондов малого (1,6 мм) диаметра. Газодинамические параметры потока плазмы за срезом ускорителя (скорость, концентрация частиц, число Маха и др.) определялись, используя развитые в работе [5] методы. Для спектральных исследований применялись кварцевый спектрограф ДФС-45310 и интерферометр Фабри-Перо, скрещенный с монохроматором МДР-189 с фотографической и фотоэлектрической регистрацией спектра.
В магнитоплазменных ускорителях в качестве плазмообразующих веществ используются металлы, диэлектрики, газы или их композиции в различных стехиометрических соотношениях. Разрядный промежуток в ускорителе закорачивается при подаче на инициирующие электроды импульса напряжением ~ 50... 100 кВ. Формирующаяся при разряде основной конденсаторной батареи эрозионная плазма заполняет межэлектродный объем и в момент максимума тока за срезом ускорителя образует зону сжатия (МГД-компрессии) за счет холлов-ского поджатия плазмы к центральному катоду и дополнительного
-6
/р-ю .А
0,5
п„ 10
0 - 18
СМ
Те Ю , К
vz\0
3
2
1 -6
с"1 12
8
4 О
М
8
6 4 2
- / Ч 1
- ч 2
/ К
- \ 4
- / 5
6 У/Л
V///// у/Л
О
16
24
МКС
Рис. 2. Параметры плазменного потока в зоне компрессии при Wo ~104 Дж для (С^4)„-плазмы:
1 — ток разряда; 2 — концентрация электронов; 3 — электронная температура; 4 — среднемассовая скорость; 5 — числа Маха; 6, заштрихованная часть — время существования зоны компрессии в плазменном потоке
пинчевания потока в выносных токах. В кварцевой трубе 6 при взаимодействии гиперзвукового плотного плазменного потока ускорителя с предварительно созданной газовой средой образуется плоская, свободная от тока ударная волна. Радиальное ограничение расходящегося
Рис. 3. Участок хронограммы, соответствующий интервалу времени А^ 8... 10 мкс
потока плазмы на границе зоны магнитогидродинамической компрессии не влияет существенно на электротехнические характеристики сильноточного разряда, и на начальной стадии плазмодинамического разряда (т ~ 2 мкс) за счет торможения потока на торцевой стенке плазмосборника образуется ударно-сжатый слой плазмы, создающий начальную плотность частиц в трубке 6. После выхода токового слоя за срез ускорителя (т ^ 3 ... 4 мкс) трубка плазмосборника заполняется плазмой, движущейся со средней скоростью ^ (2 ... 5) • 106 см/с. К моменту образования сжатой плазменной зоны (т ^ 10 мкс) в разряд вкладывается ^ 35 ... 40 % запасенной в емкостном накопителе энергии , а в силу инерционности процесса абляции и плазмообразова-ния в ускорителе, в трубку плазмосборника поступает только ^ 30 % всей массы плазмообразующего вещества. Плотность частиц в трубке 6 составляет ^ (1... 1,5) • 1017см-3, а температура тяжелых частиц, определенная на данной стадии разряда по маховскому отражению на тонкой пластине с острой передней кромкой, расположенной под нулевым углом атаки к оси потока, составляет ^ 1 эВ. Формирующийся в момент времени, близкий к максимуму тока, плотный плазменный самосжатый поток (пе ^ 1018 ... 1019 см-3, Те ^ 3 ... 6 эВ) выполняет роль плазменного "поршня", способствующего образованию в трубке 6 плоского фронта давления, который сохраняется плоским и стабильным в течение остальной части первого полупериода тока разряда (до т ^ 20 мкс), т.е. в течение всего времени существования зоны МГД-сжатия потока.
Характер токовой структуры в зоне ударного фронта за срезом ускорителя исследовался магнитными холловскими зондами малого диаметра. При этом было установлено, что при размерах плазмосборника 5 I ~ 1,5Ь, где Ь — длина выносных токов ускорите-
ля (Ь ^ 2Уа , УА — альфвеновская скорость, — частота
электрон-ионного взаимодействия), ударная волна в трубке 6 имеет
1/2
бестоковый характер. Это обстоятельство и небольшие размеры корот-коживущей плазменной сжатой зоны позволяют сравнить траектории наблюдаемой ударной волны с траекторией автомодельного классического решения для плоской взрывной волны [2], которое без учета химических реакций для 7 = 1,67 может быть записано в виде
где ж0 — положение ударного фронта в момент времени т, Е0 — полная энергия, выделяемая с единицы площади поперечного сечения, р0 — начальная плотность, 7 — показатель адиабаты. Для Е0 = 50,4 Дж/см2 получено хорошее соответствие, при этом полная энергия потока плазмы в трубке составляет ~ 10,1±0,5 % от всей энергии плазмы в зоне сжатия. При оптимизации энергетического режима работы ускорителя, геометрии электродной системы, способа ввода плазмообразующего вещества в разрядный промежуток инжектора и внешних, формирующих ударную волну узлов, удается повысить КПД преобразования энергии накопителя в энергию ударной волны до ~ 21... 23 %. Пространственно-временное распределение плотности электронной компоненты за фронтом ударной волны (УВ) исследовалось с помощью трехзеркального лазерного интерферометра, а
тяжелой компоненты — по поглощению ультрамягкого (Л ~ 10 A) рентгеновского излучения. Поля температур определялись путем измерения оптической плотности и спектральной яркости плазмы в соответствующих достаточно узких спектральных интервалах. Способ преобразования температур и плотностей, измеренных в нескольких сечениях, в безразмерные величины и плотности (T/T" и р/р', где Т' и р' — соответственно температура и плотность за фронтом УВ), зависящие от безразмерного параметра ж/ж/ (ж' — положение фронта УВ) аналогичен описанному в работе [6]. На рис. 4, а, б в координатах Т/Т', р/р', ж/ж' приведены полученные распределения температуры и плотности, а также результаты автомодельного решения для плоской взрывной волны, из которых следует, что характеристики наблюдаемого фронта УВ в трубке соответствуют характеристикам плоской взрывной волны. Полученные зависимости Т/Т', р/р' = f (ж/ж') для (С2Б4)п-плазмы и плазмы полиформальдегида (CH2O)n коррелируют с аналогичными зависимостями для плазмы меди. Изменение параметра неидеальности среды (£ — число электронов в дебаевской сфере) в зависимости от величины вкладываемой в разряд энергии W/Wmax (рис. 4, б) в значительной степени определяется коэффициентом использования плазмообразующего вещества, характеризующим отношение количества вещества, протекающего через зону сжатия,
т/т
p/p
5/г
3
1
0,9
ОД
О
0,5
0,5
0,7
б
W/Wi
шах
а
Рис. 4. а — распределения температуры (7) и плотности (2) за плоской ударной волной в (С2F4)n-плазме:
сплошные кривые — для плоской взрывной волны при 7 = 1, 67, штриховые — автомодельное решение;
б — изменение параметра неидеальности ¿/г в зависимости от вкладываемой в разряд энергии:
1 — (СН20)п-плазма, 2 — Си-плазма
к массовому расходу вещества за разрядный импульс [2]. Следует отметить, что высокая эффективность преобразования энергии, запасаемой в накопителе, в энергию плоской ударной волны, возможность выбора практически любых конденсированных веществ и их смесей в качестве плазмообразующих, технологичность эксперимента (работа с частотой повторения импульсов ~ 10-1... 102 Гц, высокий энерговклад и др.) свидетельствуют о возможности эффективного использования разработанного генератора как простого инструмента для исследования термодинамических свойств плотных газоплазменных, в том числе и неидеальных сред сложного химического состава. Возможность управления химическим и ионизационным (кратность ионизации г ~ 1... 3) составом плазмы и частотный режим работы эрозионного ускорителя позволяют считать описанный способ генерации сильных плоских ударных волн более технологичным, по сравнению со взрывными методами, использующими конденсированные ВВ при сравнимых энергетических возможностях [7].
Исследования проводятся по гранту Президента Российской Федерации № МД-1476.2005.8.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. С е д о в Л. И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: ГИФМЛ,
1951.
2. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. - М.: ГИФМЛ, 1963.
3. Радиационная плазмодинамика. Т. 1 / Под ред. Ю.С. Протасова. - М.: Энергоатомиздат, 1998.
4. Газоразрядная электроника / Под. ред. Ю.С. Протасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.
5.Плазменные ускорители и ионные инжекторы. - М.: Наука, 1992. -С. 3-81.
6. Протасов Ю.Ю. Физико-технические основы фотонных энергетических установок. Т. II. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
7. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2002.
Статья поступила в редакцию 1.07.2005
Юрий Юрьевич Протасов — д-р техн. наук, доцент кафедры "Газотурбинные и нетрадиционные установки" МГТУ им. Н.Э.Баумана. Автор более 100 научных работ в области фотонной энергетики.
Yu.Yu. Protasov — D.Sc. (Eng.), assoc. professor of "GasTurbine and Non-Traditional Facilities" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of over 100 publications in the field of photon power-engineering.
Тадеуш Сигизмундович Щепанюк — канд. техн. наук, научный сотрудник объединенного УНЦ фотонной энергетики. Автор более 30 научных работ в области радиационной динамики плазмы.
T.S. Shchepanyuk — Ph.D. (Eng.), researcher of United Center for Photon PowerEngineering. Author of more than 30 publications in the field of radiation plasma dynamics.
Ste^
