Новости

03.09.2009 16:37

Исследования: Воздействовать на гравитацию поможет магнитоплазменная аэродинамика

Директор Объединенного института высоких температур РАН,
академик РАН Владимир Фортов,

Заведующий отделением Валентин Битюрин


На протяжении последних 10–15 лет Объединенный институт высоких температур РАН ведет интенсивные исследования фундаментальных аспектов взаимодействия высокоскоростных газоплазменных потоков с электрическими и магнитными полями. Мотивацией постановки таких исследований является перспектива создания новых эффективных методов управления газодинамическими параметрами обтекания летательных аппаратов и процессами горения в высокоскоростных проточных камерах сгорания двигательных установок, разработки новых видов бортовых электрогенерирующих систем, новых методов воздействия на характеристики отражения и поглощения падающего электромагнитного излучения и другие.
Образование плазменных формирований в воздухе или в воздушно-топливых потоках может иметь естественную природу, как например, при полетах в атмосфере Земли со скоростями в несколько километров в секунду. Или искусственную – путем воздействия на газовую среду достаточно мощного электрического или оптического разряда, а также возможно и иного вида излучения. В первом случае температура воздуха в областях интенсивного аэродинамического нагрева, связанного с переходом значительной доли кинетической энергии набегающего потока в тепло, может достигать нескольких тысяч градусов. Воздух частично ионизуется, переходит в состояние «низкотемпературной» плазмы с весьма существенным уровнем электропроводности, необходимым для обеспечения эффективного взаимодействия потока с внешним электрическим и/или магнитным полем.
Во втором случае для формирования начального плазменного образования используется внешний источник энергии. Физически, результат воздействия электрического поля сводится к появлению электрического тока в плазменном образовании и соответствующего джоулеву нагреву. Кроме того, при определенных условиях существенной может оказаться и объемная электростатическая сила. При наличии же еще и приложенного магнитного поля возникает и такая важная принципиальная возможность, как создание весьма существенной объемной силы, так и перераспределения энергии в потоке путем ее извлечения и/или выделения.
Как показывают результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, оба этих механизма: динамический и тепловой, способны существенно изменить картину обтекания тела. И, тем самым, изменить интегральные (аэродинамическое сопротивление, подъемную силу, управляющие моменты, суммарный тепловой поток и т. д.) и локальные (точка отрыва пограничного слоя, ламинарно-турбулентный переход, пиковые тепловые потоки) характеристики течения.
Принципиальными преимуществами «плазменных» методов управления перед обычными газодинамическими являются практическая безинерционность включения/выключения и возможность дистанционного (удаленного) воздействия. Энергетическая эффективность плазменных методов может быть очень высока, например, при правильной организации энерговклада. Перед головной ударной волной при сверхзвуковом движении тела энерговклад может быть в несколько раз ниже выигрыша в работе силы сопротивления.
Особенно привлекательно выглядят перспективы применения «плазменных» методов при неноминальных режимах полета летательного аппарата или при неноминальных режимах работы его отдельных элементов: сверхзвукового воздухозаборника, сопла, элементов оперения самолета. Недавние экспериментальные исследования показали, например, что эффективность работы сверхзвукового воздухозаборника на нерасчетных режимах полета может быть восстановлена практически до номинальных значений при организации распределенного нужным образом энерговклада с помощью пристеночного электрического разряда сравнительно малой мощности.
Весьма впечатляющие результаты получены и при исследовании влияния маломощного барьерного разряда на обтекании крыльевого профиля при больших углах атаки. Оказалось, что диапазон углов атаки без срыва потока может быть существенно расширен. Предварительные результаты по влиянию электроразрядной плазмы на шум струи воздушно-реактивного двигателя также вселяют определенный оптимизм.
Практическое применение более масштабных систем на базе использования магнитогидродинамического (МГД) взаимодействия связывается, в первую очередь, с воздушно-космическими аппаратами при их движении в верхней атмосфере. При возвращении космического аппарата с околоземных орбит или после полета к другим небесным телам скорость входа в атмосферу составляет от 7 до 13 км/сек, что порождает серьезнейшую проблему тепловой защиты жизненно важных компонент.
При таких скоростях входа температура воздуха достигает очень высоких значений: 6000–13000 оК. Используемые сегодня технологии теплозащиты определяют в значительной степени стоимость спускаемого аппарата и ограничивают диапазон траекторий спуска. С другой стороны, наличие бортовой магнитной системы (что, конечно, требует решения весьма серьезных технических проблем, по крайней мере, при современном уровне технологии создания мощных магнитов) , которая может обеспечить умеренные по земным меркам магнитные поля порядка 1Тл.
Это позволяет решить проблему снижения тепловых нагрузок двумя путями. Первый путь основан на хорошо известной с 60-х годов идее «отдаления» головной ударной волны от тела объемной силой, возникающей за счет МГД взаимодействия в области между ударной волной и телом. Как показывают теоретические оценки и результаты модельных наземных экспериментов (в которых, к сожалению, очень трудно создать условия, близкие к условиям реального полета) на этом пути можно добиться двух- или даже трехкратного снижения пиковой плотности теплового потока.
Другой подход основан на идее ускоренного торможения аппарата в верхних слоях атмосферы, где тепловая нагрузка даже при максимальной скорости полета еще достаточно невысока из-за низкой плотности воздуха с тем, что при прохождении наиболее «опасных» высот 35-45 км скорость аппарата была бы достаточно низкой (не более 4 км/сек).
Грубо говоря, МГД взаимодействия увеличивают «кажущийся» поперечный размер аппарата и вовлекают в торможение большую массу воздуха, что и предопределяет интенсификацию торможения в полной аналогии с парашютной системой. По этой причине концепция получила название МГД-парашют. МГД-парашют может обеспечить снижение пиковых и интегральных нагрузок по порядку величины.
Отметим, что практически в этой же конфигурации магнитной системы возникает реальная возможность получения существенной электрической мощности на борту за счет МГД преобразования кинетической энергии потока в электроэнергию. Этот процесс был неоднократно продемонстрирован в экспериментах в ЦАГИ на уникальной гиперзвуковой трубе с МГД-ускорителем.
Высокая температура электронов в типичной газоразрядной плазме позволяет эффективно использовать плазмохимические процессы для управления горением в высокоскоростных проточных камерах сгорания. Здесь для обеспечения высокой эффективности использования топлива необходимо завершить горение за несколько миллисекунд. Ключевым здесь является скорость наработки активных радикалов (атомарного кислорода, гидроксила, возбужденных молекул кислорода, азота и других компонент), величина которой может быть увеличена за счет активности «горячих» электронов плазмы.
Особенно важна роль плазмохимических процессов при сжигании бедных смесей. Электрический разряд обеспечивает в них эффективное выгорание топлива в условиях, когда самостоятельное горение невозможно.
Над этой и многими другими проблемами ОИВТ РАН работает в рамках широкой кооперации академических, образовательных и ведущих отраслевых организаций. В основном, работа координируются трехлетними Программами фундаментальных работ Президиума РАН.
Следует отметить, что активность наших зарубежных коллег (США, Европейское космическое агентство, Япония и др.) резко возросла. Поэтому лидирующие позиции России в этой области под угрозой утраты.

По материалам «Инженерной газеты».