СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЕЙ КОРРЕКЦИИ ОРБИТ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ СЕРИИ RITA И РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОВОЛНОВОГО РЕЗОНАТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ CERA-V

А.А. Балмашнов

Российский университет дружбы народов, Москва, Россия

    Экспериментальные исследования параметров плазменного потока формируемого в микроволновом источнике плазмы CERA-V [1] показали, что максимальные значения токов и энергий ионов практически не зависят от типа рабочего газа (водород, азот, аргон) и составляют (0,3-0,4)А и » 300эВ соответственно при давлении в рабочем объеме (4-8)Ч 10-4 Тор. Это послужило основанием для проведения оценочных расчетов параметров CERA-V как двигателя работающего на ксеноне. Ниже представлены результаты расчетов и соответствующие характеристики двигателей серии RITA [2].

 
Параметры  RITA-15 RITA-25 CERA-V
Сила тяги  15 mH 25 mH (8,6-11,5) mH
Диаметр потока  10 cм 10 cм 6 cм
Энергия частиц  1500 эВ 1200 эВ 300 эВ
Потребляемая мощность  530 Вт 780 Вт 400 Вт
Масса двигателя    7 кг 2,5 кг
Масса ВЧ (СВЧ) генератора    5 кг 1 кг
Расход газа      (6-12)Ч 10-7 кг/с
Газовая эффективность      до 88 %
Энергетическая эффективности  35 кВт/Н 31 кВт/Н (35-47) кВт/Н
    Преимущества CERA-V над RITA заключаются в отсутствии ускоряющих ионную компоненту плазмы электродов (повышение временного ресурса двигателя) и в использовании резонансного механизма формирования плазмы (путь повышения КПД).
    Работа поддерживается грантом Министерства образования России.

    Литература.

  1. Balmashnov A.A. JVST, 1996, V.14, P.471-473
  2. RITA The ion Propulsion System for the Future. Diamler-Benz Aerospace AG Space Infrastructure. Henning von Bassewitz. P.O.Box 80 11 68, 81663 Munchen.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКОВ НЕЙТРАЛОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВОЙ ЭПИТАКСИИ CERA-VN

О.А. Бабич, А.А. Балмашнов

Российский университет дружбы народов, Москва, Россия

    Микроволновый резонаторный источник потока диссоциированных молекул с варьируемой энергией частиц CERA-VN был разработан применительно к процессу молекулярно-пучковой эпитаксии в 1995 году [1] на базе источника плазмы с варьируемой энергией ионной компоненты CERA-V [2].
    Принцип действия источника CERA-V основан на создании в плазменном  потоке с продольным градиентом концентрации частиц узкого слоя с квазистационарным отрицательным потенциалом путем организации синфазных электронных плазменных колебаний  Е010 -модой, возбуждаемой в двухмодовом резонаторе ( ТЕ111, Е010) на частоте 2.45 ГГц.
    Для создания потока нейтральных частиц CERA-V был дополнен камерой с избыточным давлением молекул (атомов) рабочего газа.
    Для различных геометрий камер перезарядки были получены зависимости интенсивности потока нейтралов (рабочий газ: водород, азот, аргон) от условий СВЧ-разряда и установлено хорошее соответствие расчетных величин с наблюдаемыми.
    Работы по определению пространственного распределения потока нейтралов перезарядки формируемого в CERA-VN были вызваны необходимостью привязки разработанной установки к промышленным системам. Были проведены измерения радиальных распределений интенсивности потока ускоренных ионов и интенсивности потока нейтралов перезарядки для различных режимов СВЧ-разряда и установлено, что радиальная расходимость потока нейтральных частиц выше, чем у исходного потока ионов. Сравнение полученных результатов с расчетными показало, что такое уширение может быть вызвано упругими соударениями ускоренных частиц с молекулами (атомами) газа в камере перезарядки.

    Литература.

  1. Балмашнов А.А.  Труды конф. ПФФ-96, Саратов, 1996, с.90
  2. Balmashnov A.A.  JVST, 1996, V.14, P.471-473.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЙ С ВОДОРОДОМ И УГЛЕВОДОРОДОМ ПРИ ОСАЖДЕНИИ АЛМАЗНЫХ  ПЛЕНОК

Г.Г.Гладуш, Н.Б. Родионов

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Троицк  Московской области, Россия

    Метод осаждения алмазных пленок с помощью плазменных струй плазмотронов обладает рядом достоинств по сравнению с другими способами. Это прежде всего- большая производительность, большие площади осаждения и т. д. В связи с этим проводятся детальные исследования механизмов генерации и транспорта радикалов, участвующих в осаждении этих пленок [1]. Одним из таких исследований является изучение распада плазменных струй при их взаимодействии с водородом и углеводородом. Представляет интерес в рамках простых представлений о процессах, принятых в литературе [1,2], рассчитать параметры распадающихся плазменных струй, измеряемые на эксперименте. Особенность изучения такого взаимодействия состоит в одновременном учете нескольких процессов: переноса примеси потоком, диффузии, ионно-молекулярных реакций неравновесной плазмы в объеме и на стенках. К этому добавляются трудности расчета подмешивания присадок после плазмотрона; такой расчет представляет из себя, вообще говоря, самостоятельную задачу.
    Использовалась простейшая модель смешения ( примесь мгновенно достигает скорости окружающего газа) а также простейшая газодинамика ( изотермический невязкий газ). Кроме диффузии и ион-молекулярных реакций в объеме, учитывалась ассоциация  на стенках реактора атомов водорода в молекулы и их перенос обратно в поток. В результате численного решения двухмерной задачи показано, что при подмешивании водорода до плазмотрона распад струи определяется генерацией молекул водорода на стенках камеры и их транспортом в струю за счет вихрей, возбуждающихся в камере взаимодействия. При подмешивании присадок после плазмотрона распад струи не зависит от реакций на стенках камеры и определяется местом подмешивания, причем смешение также определяется вихревой структурой течения газа в камере.
    Результаты  расчетов в целом качественно совпадают с результатами экспериментов [2], однако в определенной области параметров имеются количественные различия.

    Литература.

  1. Otorbaev D.K. van de Sanden M.C.M. Schram D.C. Plasma Sources. Sci. Techn. 1995, v.4, p.293
  2. Gielen  J.W.A.H.. Plasma Beam Deposition of Amorphous Hydrogenated Carbon Ph. D. Thesis of Eindhoven  University of Technology, The Netherlands, 1996.

ПРИМЕНЕНИЕ РЕАКТИВНОГО ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНО СЕЛЕКТИВНЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ

А.А. Гончаров, О.А.Панченко, Б.В. Стеценко

Институт физики Национальной Академии Наук Украины, г. Киев, Украина

    В работе приводятся данные экспериментальных исследований по использованию метода реактивного магнетронного распыления для получения спектрально селективных светопоглощающих покрытий.
Задача исследования состояла в получении пленочных покрытий, поглощающих солнечное излучение, с высокими спектральными, механическими свойствами, стабильными в окружающей среде. Исследовано несколько типов солнечных абсорбирующих поверхностей. Модельными поглощающими слоями были выбраны слои хрома и нанесенные на них многослойные покрытия окислов хрома с включенными в них малыми частичками металлического хрома.[1]. Исследованы также пленки на основе сдоев алюминия и нитрида алюминия, окислов олова. Пленки наносились на металлические зеркальные слои, на нержавеющую сталь и другие подложки. Исследовались спектральные характеристики пленок в зависимости от толщины слоев, концентрации кислорода и азота, температуры подложек.
    В напылительной камере остаточное давление газа было меньше 3Ч10-5 Торр. Давление аргона, напускаемого через регулируемый натекатель составляло 8Ч10-4 Торр. Перед напылением подложка и катод магнетрона обезгаживались. Процесс обезгаживания контролировался по яркости эмиссионных линий материала катода, которая регистрировалась монохроматором. При напуске кислорода (азота) яркость линий излучения уменьшалась с ростом давления реактивного газа, а вольт-амперная характеристика разряда магнетрона сдвигалась. Пленки напылялись в течение 150–300 с до толщин 20-60 нм. Пленки отжигались при 400-500° С на воздухе. Измерение спектров отражения и пропускания производилось в видимом и инфракрасном диапазонах от 0,3 до 25 мкм. Поглощение солнечного излучения производилось по спектрам отражения в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн. Интегральный коэффициент теплового излучения вычислялся по спектру теплового излучения (Т=900К) и спектру отражения в ИК диапазоне. Полученные пленки исследовались на сканирующем электронном микроскопе для выявления дисперсных металлических включений.
Установлено, что при постоянной скорости натекания кислорода (азота) изменение мощности разряда магнетрона существенно изменяет оптические свойства окисных пленок за счет изменения стехиометрии или концентрации металлических включений.
    Практический результат исследований состоит в том, что полученные покрытия имеют высокий коэффициент поглощения солнечного излучения 90 -95%, а коэффициент теплового излучения не превосходит 0,1-0,2 для пленок на основе нитрида алюминия.
    Проведенные исследования были поддержаны проектом №62 УНТЦ.

    Литература
    1. Lampert.C.M., Sol. Energy Mater, 1979, v.1, p.p.81-83.


ЛАЗЕРНАЯ  ТЕРМОМЕТРИЯ  ТВЕРДОГО  ТЕЛА  В  ПЛАЗМЕ

А.Н. Магунов

Институт микроэлектроники РАН, Ярославль, Россия

    Задача измерения температуры твердого тела, подвергаемого действию тепловых потоков из плазмы, возникает применительно к контактной диагностике, исследованию процессов при взаимодействии плазмы с поверхностью. После длительных и не слишком успешных попыток адаптировать традиционные методы для измерений в плазме, наступил этап полной смены методического комплекса в термометрии. Быстро развивается группа специализированных методов, основанных на измерении температурно-зависимых параметров твердого тела с помощью зондирующего светового пучка. При его взаимодействии с твердым телом изменяются параметры пучка ( интенсивность, поляризация, частотный и угловой спектры и т.д.). Степень изменения каждого из параметров определяется свойствами как твердого тела, так и пучка, а также условиями взаимодействия. Используются для измерений температурные зависимости ряда параметров твердого тела. На этой основе уже создано более 10 новых бесконтактных методов, для термометрии в плазме применяются те из них, где отсутствует влияние плазмы на оптические свойства тела и на параметры пучка.
    Применяемые для термометрии физические эффекты и измерительные схемы по частоте применения  ранжируются следующим образом (в порядке уменьшения ранга): интерференция света в полупроводниках и диэлектриках, сдвиг края собственного  поглощения полупроводников, отражение света от поверхности, эллипсометрия, тепловое расширение образца или микроструктуры на его поверхности, комбинационное рассеяние, генерация второй гармоники, люминесценция и т.д.  Методы существенно различаются по чувствительности, диапазону измеряемых температур, инерционности, помехоустойчивости, сложности реализации. Рассматриваются особенности и ограничения, измерительные характеристики лазерной термометрии, возможности и примеры применения разных методов в низкотемпературной неравновесной плазме. Обсуждаются материалы, для которых проводится лазерная термометрия, требования к методам для единичных и для рутинных измерений. Обозначен ряд нерешенных задач нового направления измерительной техники, оцениваются перспективы их решения.


ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ПОЛУЧЕНИЮ ТОНКИХ ПЛЕНОК С ПЕРЕХОДНЫМ СЛОЕМ НА ПЛАЗМЕННОМ ИСТОЧНИКЕ АТОМАРНЫХ ПОТОКОВ.

В.И. Волосов, А.Г. Стешов, И.Н. Чуркин.

Институт Ядерной Физики им. Г.И. Будкера, Новосибирск, Россия.

    В докладе рассматриваются результаты исследований по улучшению адгезии тонких металлических пленок с помощью полиэнергетических атомарных потоков. В настоящее время для нанесения тонких пленок широко используются методы магнетронного распыления, вакуумного испарения и др. Для ряда приложений адгезии пленок, получаемых этими методами, недостаточно. Улучшение адгезии пленки к подложке достигается за счет формирования между ними переходного слоя. Чаще всего формирование переходного слоя осуществляется путем обработки поверхности образца ускоренными ионами. Для этого, в дополнение к устройствам по напылению пленки используются ионные источники с энергией ионов десятки-сотни килоэлектрон-вольт.
    В ИЯФ СО РАН ведутся исследования по нанесению тонких металлических пленок с помощью импульсного плазменного источника полиэнергетических атомарных потоков. Источник формирует поток атомов любых металлов (проводящих материалов) с широким энергетическим спектром от долей электрон-вольт до нескольких кило электрон-вольт. "Медленные" атомы формируются при распылении катода, "быстрые" атомы формируются в плазме разряда при перезарядке ускоренных ионов. Относительное содержание ускоренных и распыленных атомов в потоке регулируется макроскопическими параметрами источника. Наличие в атомарном потоке ускоренной компоненты позволяет сформировать переходный слой между пленкой и подложкой за счет проникновения ускоренных атомов в поверхность подложки. Таким образом, используя один источник (работающий в различных режимах) можно наносить пленку и формировать переходный слой. В докладе показана возможность формирования полиэнергетическим атомарным потоком переходных слоев с различными характеристиками (шириной, концентрацией имплантированных атомов). Обсуждаются результаты обработки образцов полиэнергетическими атомарными потоками с различными параметрами, представлены результаты анализов поверхности обработанных образцов с помощью ионной масспектроскопии (ВИМС) и Резерфордовского обратного рассеяния (РОР).


ОСАЖДЕНИЕ ТЕТРАЭДРИЧЕСКИХ АМОРФНЫХ УГЛЕРОДНЫХ (ta-C) ПЛЁНОК В ВАКУУМНОМ ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ

Ю.Ю. Абрамов, П.И. Перетятько

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, 142092, Троицк, Московская область.

    Использование вакуумной дуги с графитовым катодом является одним из перспективных и интенсивно изучаемых методов осаждения аморфных углеродных пленок с алмазоподобными свойствами. Однако всё ещё не достаточное понимание механизма их осаждения сдерживает технологию плёнок с характеристиками, отвечающими коммерческим ожиданиям.
    В данной работе на основании предложенного нами механизма sp3 гибридизации атомов углерода представлена модель, описывающая процессы осаждения  безводородных  ta-C  плёнок.  Рассмотрены  "кинетический"  и "диффузионный" режимы осаждения, определяемые функцией распределения ионов по энергиям, которая формируется вакуумно-дуговым разрядом, а также потенциалом смещения подложки. Анализируются особенности использования импульсных вакуумных дуг. Впервые для вакуумно-дугового метода получена зависимость характеристик ta-C плёнок от таких параметров осаждения как функция распределения ионов по энергиям и величина потока ионов, определена роль этих параметров в формировании  наномасштабной  структуры  плёнок,   предложен  механизм, ответственный за существование граничной температуры подложки (~ 450 К), выше которой % sp3 резко падает. Обсуждается влияние параметров наиболее распространенных плазменно-оптических фильтров макрочастиц на характеристики ta-C плёнок.
    Представленная модель позволяет объяснить экспериментальные результаты многочисленных публикаций и может быть использована для оптимизации вакуумно-дугового метода получения ta-C плёнок с управляемыми характеристиками для конкретных технологических применений.


О ВОЗМОЖНОСТИ СУЩЕСТВЕННОГО СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА СВЕРХ- И ГИПЕРЗВУКОВОЕ ДВИЖЕНИЕ ПРИ НАГРЕВЕ ВОЗДУХА И/ИЛИ ВДУВЕ ПЛАЗМЫ

Александров А.Ф., Арделян Н.В., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н.

МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    Об истории вопроса. Расчеты равновесной газодинамики сверхзвукового обтекания с энерговыделением. Вдув газа и плазмы из передних, боковых и задних поверхностей тел. Работы по обтеканию тел слабоионизованной неравновесной плазмой и изменению параметров ударных волн. Предварительные выводы.
    Концепция устранения ударных волн и существенного снижения волновой составляющей лобового сопротивления с помощью специиально спрофилированного нагрева. О снижении вязкого трения. Подтверждения концепции в экспериментах. Аналитические соотношения для формы зоны энерговыделения. Повышение энергетической эффективности безударных режимов при увеличении числа Маха (по сравнению с обычным движением обтекаемых тел).
    Математическое моделирование безударных режимов. Обнаружение энергетически эффективных режимов и при умеренных числах Маха (2...4). Численное подтверждение отсутствия ударных волн.
    О возможности (частичной) замены лучевого нагрева вдувом горячего и (или) легкого газа из иглы на носу летательного аппарата. Математическое моделирование энергетически эффективных режимов при М = 2...6. О возможности практической реализации системы многократного снижения лобового сопротивления летательного аппарата.
    Экспериментальное и теоретическое исследование обтекания модели воздухом с неравновесной плазмой продольного электрического разряда. О последствиях нарушения соотношений для формы зоны энерговыделения.
    О подобии плазменных аэродинамических систем при изменении размера тела.
    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).


МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ТЕЛА ВОЗДУХОМ С НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМОЙ ПРОДОЛЬНОГО РАЗРЯДА

Арделян Н.В., Чувашев С.Н.

МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    Проведено математическое моделирование сверхзвукового обтекания тела воздухом с неравновесной плазмой продольного разряда между телом и пикой на его носовой части для условий плазменных аэродинамических экспериментов [1]. Решалась система уравнений газодинамики с учетом нагрева газа плазмой разряда, и уравнений Максвелла для определения самосогласованных распределений токов и полей, причем в соответствии с результатами [2] электропроводность плазмы задавалась обратно пропорциональной концентрации газа. Предполагался быстрый переход энергии от поля в нагрев газа.
    Моделирование проведено в цилиндрически симметричном нестационарном приближении с помощью свободно-лагранжевого метода.
    Образуются три ударные волны и соответствующие максимумы давления: от кончика пики, от самой модели и от головной части "плазменного тела", сформированного токовым нагревом. В плазме раряда наблюдается ускорение газа к телу. Общая расчетная сила лобового сопротивления на 10% ниже, чем при отсутствии разряда. Токовое распределение прижато к поверхности модели, плотность газа там понижена, а электропроводность максимальна. Основной энерговклад, как и в [2], происходит в головной части канала разряда, расположенной у заднего конца переднего электрода; зона энерговыделения квазисферическая, поле в ее окрестности усилено. Температура газа в этой зоне быстро нарастает и ниже по каналу остается на примерно этом же уровне, что соответствует экспериментам [1].
    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).

    Литература

  1. S.N.Chuvashev, A.P.Ershov, A.I.Klimov, S.B.Leonov, V.M.Shibkov, I.B.Timofeev. Workshop on Weakly Ionized Gases. Norfolk, 1998. Pp. M3-M17.
  2. Тимофеев Б.И., Чувашев С.Н. Наст. Сб.

РАСЧЕТ КИНЕТИКИ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ РАЗРЯДЕ В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ВОЗДУХА

Тимофеев Б.И., Чувашев С.Н.

МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    Построена модель продольного электрического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха при условиях экспериментов по плазменной аэродинамике [1] (число Маха 2...4, давление @ 0.1 атм., температура потока Tg0 = 100...200 К, сила тока 1...3 А). Скорость и давление плазмы и потока взяты равными, токовое распределение по сечению – П-образным, радиус канала – из эксперимента [1]. Решались уравнения баланса: поступательной и вращательной температуры газа Tg (с учетом нагрева при электронных и колебательных возбуждениях и тушениях, диссоциации, ионизации и др.), средней энергии электронов, возбуждения колебательных и электронных состояний, числа положительных и отрицательных ионов. Для интегрирования дифференциальных сечений реакций по функции распределения электронов решалось кинетическое уравнение с накачкой полем, возбуждения колебательных и электронных состояний из основного, и с приближенным учетом электрон-электронных ударов.
    Отношение напряженности поля к концентрации газа ng, электронные температура и концентрация примерно постоянны по длине канала, электропроводность пропорциональна ng-1. В первых 1.5...2 мм происходят основные энерговыделение, ионизация, колебательное возбуждение, образование метастабильных молекул, нагрев газа и др., функция распределения немаксвелловская, что снижает многие сечения в 2...5 раз. В остальной части столба параметры плазмы меняются слабо, электроны максвеллизованы. В канале Tg растет до 2000 К, число колебательных квантов может превышать число молекул, образуется много метастабилей.
    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).

    Литература

  1. S.N.Chuvashev, A.P.Ershov, A.I.Klimov, S.B.Leonov, V.M.Shibkov, I.B.Timofeev. Workshop on Weakly Ionized Gases. Colorado, 1997. Pp. M3-M17.



МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗУДАРНЫХ РЕЖИМОВ СВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ПРИ ПРОФИЛИРОВАННОМ НАГРЕВЕ ГАЗА

Арделян Н.В., Чувашев С.Н.

МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    В концепции сверхзвукового безударного движения [1] при определенной организации нагрева воздуха перед летательным аппаратом предполагается отсутствие ударных волн. В данной работе этот факт, представляющий как фундаментальный, так и практический интерес, показан на основе подробного математического моделирования.
    Моделирование проведено на основе уравнений газодинамики с профилированным энерговыделением (при выполнении условий [1]) в цилиндрически симметричном нестационарном приближении с помощью свободно-лагранжевого метода.
    Как известно, в квазистационарном потоке ударная волна – это граница дозвуковой и сверхзвуковой областей течения, где останавливаются идущие вверх по потоку звуковые волны. В данной работе движение звуковых волн от тела по расчетному двумерному распределению параметров происходило без остановки их фронтов на какой-либо поверхности, т.е. ударных волн не обнаружено.
    К тому же приводит анализ расчетных распределений в терминах эволюции волн сжатия и разрежения. Анализ также показывает устойчивость гладких квазистационарных распределений относительно формирования разрывов.
    Обсуждается отличие данной ситуации от сходных известных, сопровождающихся формированием ударных волн (бесконечное расширение цилиндрического поршня, сверхзвуковое движение затупленной области энерговыделения, движение затупленного тела с длинной узкой зоной нагрева и др.).
    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).

    Литература
    1. Александров А.Ф., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н. Прикладная физика. 1996. .№3. С. 112-117.


МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ СВЕРХЗВУКОВОГО ДВИЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ВДУВОМ ПЛАЗМЫ (ГАЗА) ИЗ ИГЛЫ НА НОСУ

Арделян Н.В., Космачевский К.В., Чувашев С.Н.

МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    Концепция [1], обеспечивающая снижение лобового сопротивления и энергетический выигрыш, предполагает мощный бортовой источник лучевой энергии. Однако, многие ее преимущества могут реализоваться и при вдуве плазмы (или нагретого легкого газа с большой локальной скоростью звука ns > nn) из иглы на носу летательного аппарата [2]. Анализ показывает, что в этом случае может формироваться коническая плазменная область с осесимметричным вихрем, в котором на периферии среда движется со скоростью обтекающего потока, а у иглы – в противоположном направлении, т.е. вперед. Возникающие при этом небольшие тангенциальные силы создают не сопротивление, а тягу. В плазменной области из-за локально дозвукового течения перепад давления невелик относительно среднего давления, причем избыточное (относительно потока) давление может быть сделано малым, поэтому соответствующая составляющая лобового сопротивления также снижается. Сопротивление, связанное с ударной волной у кончика иглы, пренебрежимо мало. Плазма из конической области поступает в погранслой у боковой поверхности летательного аппарата, уменьшая характерное число Рейнольдса (из-за большей молекулярной вязкости плазмы), затягивая переход к турбулентности и тем самым снижая также вязкое трение о боковую поверхность.
    Вышеописанное подтверждается математическим моделированием сверхзвукового обтекания заостренного тела с пикой, с поверхности которой вдувался горячий воздух с нулевой осевой скоростью относительно потока. Получены энергетически выгодные режимы.
    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).

    Литература
    1. Александров А.Ф., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н. Прикладная физика. 1996..№3.С. 112-117.


О ПОДОБИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВЕРХЗВУКОВОМ ОБТЕКАНИИ

Чувашев С.Н., Зорина И.Г.

МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    С помощью теории подобия проанализированы возможности масштабирования неравновесных электроразрядных процессов при сверхзвуковом обтекании (например, для перенесения данных плазменных аэродинамических экспериментов с малоразмерными моделями на полномасштабные летные эксперименты).
    Учитываются газодинамика обтекания с вязкостью и сжимаемостью, формирование электромагнитных полей (постоянных или переменных) и взаимодействие их с плазмой, ионизация и рекомбинация, возбуждение и тушение электронных и колебательных состояний, передача энергии от поля электронам и ионам, различные каналы нарева газа, формирование функции распределения электронов по энергиям и др. При рассмотрении неравновесной кинетики учтено, что при параметрах, характерных для систем плазменной аэродинамики, преобладают парные столкновения, т.е. скорости всех реакций Кj пропорциональны произведению концентраций, а при постоянстве относительного состава – r2 (r – плотность).
    Показана возможность масштабирования (при условии Кj ~ r2) систем плазменной аэродинамики с полным сохранением подобия при условиях постоянства критериев Маха, Рейнольдса, безразмерных скоростей реакций njsk L, а также безразмерных (например, отнесенных к газовой температуре набегающего потока) локальных энергетических величин, в т.ч. аналога известного критерия E/n (E – напряженность электрического поля, sk – сечение реакции сорта k с частицами плазмы сорта j, n, nj – концентрации молекул и частиц сорта j).
    Например, при увеличении L в С раз для выполнения вышеуказанных условий подобия достаточно обеспечить геометрически подобную форму тела, выбрать тот же газ (воздух), сохранять газовую температуру, напряжение разряда и скорость набегающего потока, уменьшить давление и частоту поля  в С раз, повысить разрядную мощность в С раз.
    Проанализированы условия отклонения от полного подобия. Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).


ПЛАЗМА В ЭЛЕКТРОХИРУРГИИ

В.И.Серегин, В.И. Смирнов, В.М.Фадеев

НПП ВНИИ Электромеханики, Москва, Россия

    Многие лечебные учреждения России используют в своей практике электрохирургические аппараты (ЭХА), которые в принятой классификации делятся на аппараты малой (до 50 Вт), средней (до 150 Вт) и большой (более 150 Вт) выходной мощности.
    Существуют различные феноменологические подходы к принципам конструирования ЭХА. Один из таких подходов с использованием плазменной дуги с температурой 2000-4500 °С, возникающей в воздухе между телом пациента и электродом, описан в работе [1]. В холодноплазменных коагуляторах, основанных на методе униполярной ионизации аргона, используется плазма с температурой 25-160 °С.
    Столь различные подходы ставят задачу специальных исследований плазмы ЭХА, методов создания и управления ее параметрами. В данной работе обсуждается возможность применения численного метода [2] для модели "плазменного скальпеля", формируемого и используемого в высокочастотных эпиляторах-коагуляторах типа ЭКХ-25-01 [1]. Параметры модели: газ - воздух, давление - атмосферное, частота разряда - 60 кГц, нагрузка- 35 кОм, напряжение V = 100 В, паразитная емкость пациент-аппарат C = 50-80 пФ, максимальная выходная мощность - 25 Вт, длина разряда - H = 0.3 см, радиус расчетной области R = 1 см.

    Литература

  1. Серегин В.И., Смирнов В.И. Электрохирургический аппарат для дерматологии, косметологии и гинекологии (ЭКХ-25-01). - Электротехника, 1996, N5, с.51-53.
  2. Surzhikov S.T. 27th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. June 17-20, 1996 / New Orleans, LA.



ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛЯ АНТЕННЫ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИЦР СЕПАРАТОРА ИЗОТОПОВ

С.Г. Кузьмин

Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия

    Принцип ИЦР метода разделения изотопов состоит в селективном нагреве плазмы, помещенной в однородное магнитное поле. Эффективность работы ИЦР сепаратора изотопов определяется зависимостью поля, создаваемого антенной от продольной координаты. Поле антенны может распространяться вдоль оси системы  на расстояние порядка порядка скиновой длины c/wpi от края антенны. В результате ионы различных изотопов могут взаимодействовать с ВЧ полем не только непосредственно под антенной, но и за ее пределами. Это может привести к  эффекту “переполюсовки” греющего поля, который может существенно снизить селективность нагрева.  Суть этого эффекта заключается в том, что левополяризованная компонента ВЧ поля, ответственная за нагрев ионов изменяет свою фазу более чем на p  в пределах зоны нагрева.
    В настоящей работе анализируется влияние продольной структуры поля антенны на производительность ИЦР сепаратора изотопов.  Проведен расчет степени разделения на примере гадолиниевой плазмы, в которой ионы одного из изотопов нагреваются при помощи цилиндрической соленоидальной антенны и выделяются при помощи элемента с криволинейным магнитным полем (КРЭЛ) [1]. Предложено несколько схем, при помощи которых можно избежать эффекта “переполюсовки” греющего поля.

    Литература.

  1. Белавин М.И., Звонков А.В., Тимофеев А.В. // Патент РФ №1742900 от 5 июля 1993г.



АНТЕННЫ ДЛЯ ИЦР РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

И.А. Котельников, *С.Г. Кузьмин

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия
*Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия

    Успех экспериментов по ИЦР разделению изотопов в значительной степени зависит от правильности выбора антенны для селективного нагрева ионов выделяемого изотопа из плазменной струи [1]. Не слишком высокая степень разделения, достигнутая к настоящему времени, возможно, связана с эффектом переполюсовки ВЧ поля [2] в дальней зоне антенны. Указанный эффект заключается в изменении знака амплитуды E+(т.е. изменении фазы наp) левополяризованной компоненты ВЧ поля, отвечающей за нагрев ионов (см., напр., [3]). Эффект переполюсовки усиливается с увеличением плотности плазмы и приводит к ухудшению селективности нагрева. Впервые его роль была понята при расчете ИЦР нагрева в поле соленоидальной антенны, возбуждающей в плазменной струе вынужденные колебания с азимутальным числом m=0 [4], где его отрицательное воздействие может быть нейтрализовано локализацией зоны нагрева за счет профилирования магнитного поля и вывода ионов из резонанса в области переполюсовки. В настоящей работе проведено сравнение схем селективного нагрева при помощи витковой (соленоидальной) и винтовой антенн и показано, что для нагрева сверхплотной струи (n»1014 см-3) наиболее эффективным является нагрев на 2-й гармонике циклотронной частоты в поле плоского соленоида.

    Литература:

  1. Тимофеев А.В., Тезисы докладов XXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1998, с.92.
  2. Кузьмин С.Г. Тезисы докладов XXVI Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1999.
  3. Волосов В.И., Котельников И.А., Кузьмин С.Г., Физика плазмы , 1998, т.24, с.517.
  4. Котельников И.А., Кузьмин С.Г., Тезисы докладов XXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1998, с.94.



ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК КИСЕЛЕВСКОГО - ОБЪЕКТ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Архипенко В.И., Симончик Л.В.

Институт молекулярной и атомной физики НАНБеларуси, Минск, Беларусь

    Приводятся результаты комплексных физических исследований и приложений плазменного  источника  Киселевского  (ПИК).  ПИК  представляет  собой самостоятельный тлеющий разряд в инертных газах при атмосферном давлении [1]. Измеренная вольт-амперная характеристика ПИК в диапазоне токов от 50 мА до 15 А является возрастающей, при этом напряжение на разрядном промежутке изменяется от 180 до 270 В [2].
    ПИК как объект для физических исследований. Разряд уникален сам по себе, так как существует при атмосферном давлении и является самостоятельным, а механизм его самоподдержания остается пока до конца невыясненным. ПИК имеет стабильные характеристики и может использоваться как в качестве источника света для спектроскопии, так и служить объектом для отработки различных диагностик. ПИК может служить удобным полигоном для изучения приэлектродных процессов, протекающих в газовых разрядах при атмосферном и повышенном давлении. В докладе приведены результаты измерений параметров ПИК различными методами.
    Технологические применения ПИК. ПИК обладает рядом свойств, позволивших его использование в ряде прикладных задач.   Так возможность разогрева катода вплоть до температуры плавления материала катода была использована для создания точечного источника непрерывного излучения с высокой яркостной температурой. Стабильность спектральных характеристик ПИК позволила создать спектрометр для обнаружения малых количеств примесей металлов в жидкой среде. С помощью ПИК производится напыление металлических пленок на стеклянные и другие подложки. При этом отпадает необходимость в вакуумной технике, так как процесс происходит при атмосферном давлении в гелии. В докладе обсуждаются и другие возможные приложения ПИК.
    Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ФФИ РБ (проект Ф96-086).

    Литература.

  1. Киселевский Л.И., Мазуренко С.Л„ Макаревич А.Н., Соловьянчик Д.А. Письма в ЖТФ, 1983, 9,  № 22, с. 1401.
  2. Arkhipenfa) V.I., Zgirovskii S.M., Kapanik A.K., Simonchik L.V. Proc. of 1998 ICPP&25th EPS Conf.on Contr.Fusion and Plasma Physics, Praga, 1998, EGA Vol. 22C, p. 2671.



ВЛИЯНИЕ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

А.Ф.Александров, А.П.Ершов, И.Б.Тимофеев, В.М.Шибков

МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет

    Обсуждаются основные принципы улучшения аэродинамических характеристик летательного аппарата с помощью различного типа газовых разрядов, формируемых в его головной части.
    Анализ экспериментальных результатов  по взаимодействию ударных волн с плазмой газового разряда в ударных трубах,  с пространственно локализованной плазменной неоднородностью в атмосфере, данные  плазменного аэродинамического экспе-римента по обтеканию тел сверхзвуковыми потоками в аэродинамических установках показывают, что наличие плазмы вблизи или на поверхности тела может приводить к существенному снижению лобового сопротивления тела, движущегося в атмосфере со сверхзвуковой скоростью.
    Рассматриваются основные принципы организации разряда вблизи обтекаемого тела и на его поверхности, его формирование, устойчивость, особенности диагностики плазмы.
    Анализируются экспериментальных данные по плазменному аэродинамическому эксперименту с использованием разрядов постоянного и переменного токов, импульсно-периодических разрядов, плазменных струй и пространственно локализованных СВЧ разрядов.
    Обсуждаются энергетические характеристики разряда, характерные значения его параметров в сверхзвуковом потоке воздуха, результаты весовых испытаний. Показано, что наличие плазмы, при определенных условиях может приводить к снижению лобо-вого сопротивления до 15-20%.

    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).


ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ В СВЕРХЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ВОЗДУХА

А.П.Ершов, И.Б.Тимофеев, В.А.Черников, В.М.Шибков

МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет

    Обсуждаются основные принципы формирования газовых разрядов постоянного тока и импульсно периодических разрядов в сверхзвуковых потоках воздуха в диапазоне давлений окружающей среды 10-100 мм.рт.ст.  значениях числа Маха  потока М2 и величины разрядных токов 1-10 А. Диапазон значений напряжения на межэлектрод-ном промежутке – 1-20 кV.
    Основной цикл экспериментов выполнен для поперечного разряда, характерной особенностью которого является то, что разрядный канал в потоке сильно  деформируется, образуя два ярко светящихся токовых шнура, сносимых с электродов, между которыми в достаточно протяженной области замыкается разрядный ток (формируется токовая петля).
    В том случае, когда электроды расположены в критическом сечении сопла, как это имело место при использовании сверхзвукового сопла с прямоугольным сечением, видимая структура  разряда в сверхзвуковом потоке становится иной.  В этом случае вытекающая из сопла плазменная струя существенно более однородна по сечению. Геометрические размеры плазменного “листа” определяются размерами сопла и Махом потока.
    Существенно иной является картина формирования импульсно-периодического разряда в сверхзвуковом потоке. Снос плазмы  вниз по потоку в значительной мере определяется длительностью импульса напряжения, величиной начального давления воздуха в разрядной камере и Махом потока. Такое поведение импульсно-периодического разряда в  сверхзвуковом потоке позволяет определенным подбором начальных параметров формировать протяженные плазменные покрытия, например, на летательном аппарате, заданных геометрических размеров.
    Характерной особенностью вольтамперных характеристик разряда является наличие сравнительно высокочастотного шума большой амплитуды. Этот высокочастотный шум носит периодический характер. Период колебаний шума падает с ростом величины разрядного тока и начального давления окружающей среды.
    Плазма разряда сильно неравновесна. Газовая температура при всех условиях эксперимента не превышала 2500 К, в то время как величина колебательной температуры достигала значений порядка 10000 К. Величина электронной плотности в зависимости от условий эксперимента лежала в пределах 1012 - 1014  см-3.
    Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Интеграция» (проект № 450).