Оптическое измерение параметров плазмы в условиях нестационарного магнитогидродинамического взаимодействия

Создание перспективных возвращаемых летательных аппаратов для освоения и использования космического и воздушного пространства связано с решением задач эффективного управления их аэродинамическими характеристиками и задач теплозащиты аппаратов при высокоскоростном движении в плотных слоях атмосферы. Известно, что в условиях гиперзвуковых полетов проявляются различные плазменные эффекты, благодаря чему, решение задач аэродинамики и теплозащиты возможно с помощью магнитогидродинамических (МГД) методов воздействия на газовый поток. Для экспериментального моделирования гиперзвуковых газовых потоков часто используют аэродинамические установки кратковременного действия. В условиях эксперимента, когда длительность квазистационарного течения не превышает нескольких миллисекунд, исследование характеристик низкотемпературной плазмы вблизи обтекаемой модели в сильных магнитных полях не представляется возможным контактными методами. Однако в условиях МГД-эксперимента реализуемы оптические методы исследования параметров плазмы по характеристикам ее излучения с использованием скоростных регистрирующих устройств. Прежде всего, речь идет об использовании методов оптической пирометрии, главным объектом изучения которых является температура исследуемого объекта. По данным оптической пирометрии можно судить также о геометрии области взаимодействия, распределении электрической проводимости плазмы и других ее параметрах. Это особенно важно при оценке эффективности МГД-взаимодействия, а также для исследования как силового, так и теплового воздействия плазмы на высокоскоростной поток в магнитном поле. Поэтому актуальность решения данной проблемы не вызывает сомнений. В ИТПМ СО РАН проводятся комплексные исследования МГД-взаимодействия около обтекаемых моделей на специально разработанном стенде, построенном на базе ударной трубы. Стенд позволяет моделировать гиперзвуковой поток воздуха (М = 6–10), параметры которого близки к условиям полетов на высоте 30–50 км над уровнем моря, где использование способов МГД-управления аэродинамикой аппарата наиболее целесообразно. Время существования квазистационарного течения газа в рабочей камере составляет порядка 1 мс. Магнитная система позволяет создавать постоянное однородное магнитное поле с индукцией до 2,25 Тл. Для исследования структуры потока используется шлирен-метод видеосъемки с использованием высокоскоростной камеры. Причем вместо ножа Фуко используется адаптивный визуализирующий транспарант (фототропное стекло), что позволяет регистрировать как градиенты плотности газового потока, так и излучение плазмы. Для локальной ионизации потока используется либо электронный пучок, либо различные типы электрических разрядов. Электрические параметры в сети питания разряда снимаются через трансформаторы тока и выводятся на высокочастотные цифровые осциллографы. Однако прямое измерение параметров разрядного промежутка, находящегося около модели в гиперзвуковом потоке газа и в сильном магнитном поле затруднено. Стоит также отметить, что на некоторых режимах взаимодействия разряд горит нестационарно и его пространственная конфигурация существенно меняется, что также ставит под сомнение контактные способы измерения параметров плазмы в условиях эксперимента. Измерение пространственного распределения температур в области МГД-взаимодействия может быть выполнено с помощью метода яркостной пирометрии, основанной на измерении яркости исследуемого объекта на одной длине волны, поэтому для выделения нужного участка длин волн должен использоваться узкополосный интерференционный фильтр. Для реализации данного метода планируется использовать имеющуюся высокоскоростную видеокамеру Photron Fastcam SA-Z с цветным CCD сенсором, частота съемки которой достигает 480 кГц, а длина экспозиции кадра может быть сокращена до 1 мкс. Характеристики камеры позволяют регистрировать излучение плазмы и проводить измерения температуры при соответствующей калибровке камеры по эталонному источнику излучения. Новизна данного подхода заключается в возможности комплексного исследования нестационарного МГД-воздействия на ударно-волновую структуру потока у обтекаемой модели — то есть одновременно регистрировать и структуру потока, и структуру плазмы, участвующей в процессе. Таким образом, проект направлен на исследование характеристик плазменного образования в условиях нестационарного МГД-взаимодействия около модели пластины в гиперзвуковом потоке воздуха. В ходе исследований будут определены основные характеристики плазмы электрического разряда и интегральные параметры МГД-взаимодействия.