Отдел Физики Плазмыв составе Научно-Технического Центра Плазменных Технологий объединяет группу научных коллективов МРТИ, которые в течение последних двух-трех десятилетий занимались изучением свойств газоразрядных процессов и физико-химических превращений в конденсированных средах, происходящих в полях мощного концентрированного электромагнитного излучения СВЧ диапазона. Большой объем накопленных знаний в этой области и опыт экспериментальных и теоретических исследований, проводившихся в интересах военно-прикладных задач, открыл широкую дорогу для работ по развитию спектра физико-технологических приложений. К таким, наиболее перспективным, направлениям, в развитие которых существенный вклад вносит МРТИ, можно отнести плазменную аэродинамику, плазменное горение, плазматроны, модификация поверхностей и спекание материалов, получение импульсной плазмы с экстремальными параметрами (вплоть до термоядерных) и др.
Лаборатория располагает несколькими установками, на одной из которых еще в 60-х годах прошлого столетия впервые был получен безэлектродный разряд в воздухе атмосферного давления в фокусе квазиоптического пучка СВЧ излучения с длиной волны 8.9см (практически одновременно с открытием оптического пробоя в 1963 году).
Новый тип разряда, возникающий в фокусе в удалении от излучающих систем вне контакта с какими-либо элементами конструкций (Рис.1), обладает замечательными свойствами, которые и определяют разнообразие возможностей его применения.
Параметры этой заслуженной установки и сегодня являются выдающимися, что позволяет получать с ее помощью все новые и новые физические результаты. Сам по себе безэлектродный СВЧ разряд в нормальном воздухе требует очень высокого уровня излучения, с плотностью потока энергии более 1 МВт/см2. Однако изобретенный (и запатентованный) в МРТИ способ инициации разряда с помощью пассивных электромагнитных вибраторов позволяет вызывать пробой и последующее самостоятельное развитие разряда при интенсивностях излучения, на несколько порядков ниже, вплоть до 100 Вт/см2. Это изобретение сразу открыло широчайшие возможности использования СВЧ разрядов высокого давления во многих приложениях.
СВЧ-разряд высокого давления развивается в виде сети ветвящихся тонких стримерных каналов. Электрическое поле на концах каналов многократно превышает поле первичного СВЧ излучения, что и определяет способность стримерных СВЧ разрядов, возникнув в одном месте, распространяться неограниченно в газе с большим давлением. Исследования ведутся при различных давлениях газа внутри вакуумной камеры. Такой разряд можно наблюдать непосредственно в комнатном воздухе при открытом кожухе вакуумной камеры. За время импульса 40 микросекунд разряд успевает пробежать 10 см, то-есть, распространение происходит со скоростью несколько километров в секунду. В определенных условиях сеть каналов распространяется исключительно по поверхности диэлектрической пластины, пленки или мелкой сетки, если таковые поместить в область разряда (Рис.2).
Аналогичные исследования ведутся также на установках с другими длинами волн. На установке с длиной волны 2.5 см разряд в фокусе излучения изучается в импульсно-периодическом режиме. Его также можно наблюдать в комнатном воздухе при открытом кожухе вакуумной камеры. Разряд и при этой длине волны сохраняет стримерную природу, и его поведение описывается в рамках той же физической модели, что и разряды при больших длинах волн.
Отдел Физики Плазмы занимается изучением свойств СВЧ разрядов высокого давления не только потому, что это интереснейшее физическое явление. Открытые в процессе исследований его свойства открывают новые возможности в ряде актуальных приложений. К таким определяющим свойствам относятся следующее.
Сеть стримерных каналов самоорганизуется таким образом, что в любой момент времени сохраняет электродинамически резонансные свойства, взаимодействия с излучением как хорошо согласованная приемная антенна. Это свойство обусловливает исключительно высокую эффективность поглощения СВЧ энергии и преобразования ее в тепловую (и не только) энергию газа. Поскольку объем тонких каналов стримерного разряда на порядки меньше объема, занимаемого всей сетью каналов, то температура в каналах поднимается до очень высоких температур. Поэтому стримерный импульсный разряд способен инициировать горение горючей газовой смеси, и не только горение, но и детонацию. В экспериментах с модельной горючей смесью определяются пределы детонации по составу смеси, минимальная энергия в СВЧ импульсе, необходимая для детонации и другие свойства процесса. Выяснено, что энергия инициации СВЧ разрядом на несколько порядков ниже, чем в случае использования ВВ.
Высокая температура в стримерных каналах в сочетании с высокой эффективностью поглощения СВЧ энергии, их высокая скорость распространения определили направление прикладных исследований по поджигу и стимуляции горения в различных ситуациях: в двигателях внутреннего сгорания, в газотурбинных установках, турбореактивных двигателях, в прямоточных двигателях, гиперзвуковых двигателях со сверхзвуковым горением. Использование СВЧ стримерного разряда позволяет, в принципе, поддерживать стационарную недосжатую детонационную волну в потоке горючей смеси при скорости, выше скорости свободной детонационной волны (обычно 1.5 км/сек). Прямоточный двигатель, основанный на таком режиме, обладал бы удельным импульсом, в несколько раз большим, чем в проектируемых гиперзвуковых аппаратах.
Изучение свойств СВЧ разрядов в скоростном потоке воздуха происходит на аэродинамическом стенде, в рабочей камере которого создается затопленная струя воздуха, либо горючей смеси. В струе генерируется с помощью инициатора стримерный разряд за счет внешнего СВЧ излучения. Скорость струи может в два раза превышать скорость звука. Здесь отрабатываются специальные типы инициаторов применительно к типичным условиям применения в различных устройствах и исследуются способы подачи горючего, например , через внутренний канал самого инициатора, как в демонстрируемом опыте, эффективность горения в присутствии разряда как в свободном потоке горючей смеси, так и в замкнутом канале камеры сгорания.
Способность СВЧ стримерного разряда с высокой эффективностью осуществлять энерговклад в поток газа в заданном месте относительно обтекаемого им тела используется для управления характеристиками обтекания. На этой установке продемонстрировано пятикратное снижение лобового сопротивления цилиндрического тела в потоке с числом Маха 2 при создании тонкого и горячего стримерного канала перед телом с энергетической эффективностью, большей единицы в разы. Здесь же было показано возникновение дополнительной подъемной силы при выделении энергии с помощью СВЧ разряда под обтекаемым профилем. Эксперименты полностью подтвердили теоретические расчеты, прогнозировавшие обнаруженные эффекты, которые могут быть использованы для повышения маневренности и устойчивости летательных аппаратов при сверхзвуковом полете.
Возможность вкладывать энергию непосредственно в газовый поток в заданном месте используется в эксперименте по воздействию на отрывные течения, возникновение которых при увеличении угла атаки профиля сильно снижает его подъемную силу. Желаемый эффект возникает при создании у поверхности крыла периодической структуры зон энерговыделения. В лаборатории разработана периодическая резонансная система инициаторов, размещаемая внутри профиля, создающая при поверхности требуемую структуру разрядов. Разряды возбуждаются дистанционно СВЧ генератором, расположенным вне канала аэродинамической трубы в квазистационарном режиме.
В отделе развернуты работы по разработке СВЧ плазматронов различного типа. Все они основаны на общем принципе работы. Рабочий газ протекает через СВЧ резонатор, в котором зажигается разряд, разогревающий газ до температуры несколько тысяч градусов. При столь высокой температуре ионизация газа достаточно высока, чтобы поглощение СВЧ излучения происходило в пределах горячей зоны достаточно равномерно и не требовало постоянной инициации. Организация вихревого движения в объеме разрядной камеры обеспечивает изоляцию стен камеры и выходного сопла от горячего газа, что способствует существенному увеличению срока службы плазматрона и предельному упрощению его конструкции. В плазматронах такого типа могут быть получены горячие струи в большом диапазоне параметров (температура, скорость, диаметр, длина и пр.) для использования в самых разных процессах, включая такие актуальные, как утилизацию вторсырья, сжигание трудно горящих топлив, в газогенераторах и др.
В отделе ведутся также работы по использованию СВЧ излучения для спекания новых типов керамических и разнородных материалов.
Успешному продвижению научно-исследовательских работ отдела способствует высокий профессиональный уровень специалистов.
2. увеличение скорости горения в каналах турбореактивных, прямоточных и гиперзвуковых силовых становках 3. сжигание и газификация низкокалорийных топлив 4. утилизация отходов 1. разработка методов повышения управляемости летательных аппаратов в условиях сверхзвукового полета
2. повышение эффективности работы турбин в турбореактивных двигателях и энергетических установках
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА Контактная информация:
1. сжигание бедных горючих смесей для снижения вредных выбросов в атмосферу
Нагрев газа в определенных местах вне аппарата, обтекаемого скоростным потоком, способен существенно влиять на характеристики обтекания. СВЧ разряды способны осуществлять такой дистанционный энерговклад. Это служит основой для проведения работ:
Прямоточный двигатель на стационарной детонационной волне может иметь удельный импульс во много раз выше достигнутых ныне значений.
Email: K.V.K@home.ptt.ru
Web:http://www.kir-khodataev.narod.ruТел:
+7 (495) 315-2497 Факс: +7 (495) 314-1053
Почтовый адрес: Московский Радиотехнический Институт РАН, Варшавское шоссе 132, Москва, 113519, Россия
Сайт управляется системой uCoz