Ученые из Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева-КАИ и Санкт-Петербургского государственного университета разработали теоретическую модель, описывающую формирование плазмы сверхвысокочастотных разрядов в молекулярных газах. В частности, авторы исследовали переход из диффузной формы разряда в нитевидную в азоте. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Физики и механики разработали теоретическую модель, описывающую процесс формирования нитевидных микроволновых разрядов в газах. В этом случае газ нагревается до температур порядка 830°С и выше, и в нем формируется большое количество заряженных и возбужденных частиц. Это явление можно использовать в аэродинамике и космонавтике, чтобы воздействовать на потоки газа вблизи летательных аппаратов и тем самым управлять полетом, поскольку эти структуры влияют на скорость и траекторию движения аппарата.

Вблизи летательных аппаратов, движущихся со сверхзвуковой скоростью, например, спускаемых на поверхность Земли или других планет, возникают зоны точечного нагрева и изменения плотности газа, которые могут влиять на направление и скорость движения объекта. Поэтому, чтобы контролировать движение аппарата, потоками нагретого газа нужно уметь управлять. Это можно делать с помощью плазменных структур — заряженных газовых областей, сформированных с помощью сверхвысокочастотных разрядов на некотором расстоянии от поверхности летательного аппарата.

При построении модели авторы использовали систему большого числа математических уравнений, которые описывают все основные параметры разряда в газе. Так, в расчетах учитывались взаимодействия между молекулами газа, параметры электромагнитного поля, изменения плотности и температуры газа в области формирования разряда.

Моделирование показало, что диффузный разряд сначала вытягивается в виде «облака» заряженных и возбужденных частиц, а затем переходит в форму нитевидного плазмоида — более плотного «сгустка». При таком переходе резко возрастает концентрация заряженных частиц преимущественно вдоль центральной оси плазмоида.

Согласно модели, по мере роста плазмоида его температура увеличивается от 185°С до 830°С за 10-15 микросекунд. Это объясняется тем, что при взаимодействии возбужденных частиц азота выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева газа, снижая его плотность.

Дополнительно ученые исследовали, как на формирование разряда влияют примеси кислорода — еще одного важного компонента атмосферного воздуха. Оказалось, что в этом случае газ в области формирования разряда нагревается примерно на 4 микросекунды быстрее, чем в чистом азоте. Это объясняется более интенсивным выделением энергии при взаимодействии заряженных частиц азота и молекул кислорода.

В итоге авторам удалось описать процесс формирования СВЧ-разрядов, а также изменения, которые происходят в газе при возникновении в нем нитевидного разряда. Все полученные результаты помогут в разработке так называемых плазменных актуаторов — устройств для управления газовыми потоками у поверхности летательных и спускаемых космических аппаратов.

Как прокомментировал результаты данного исследования участник проекта – доцент кафедры общей физики КНИТУ-КАИ Алмаз Сайфутдинов, сформулированная им с коллегами модель и проведенные полномасштабные расчеты позволяют детально описать практически весь спектр процессов, протекающих в СВЧ-разрядах в молекулярных газах.

«Модель позволяет прогнозировать эффекты быстрого нагрева и снижения плотности газа (за несколько микросекунд), что востребовано на сегодняшний день в разработке плазменных актуаторов – устройств для воздействия на ударно-волновые структуры перед летательными аппаратами, движущимися со сверхзвуковыми скоростями. Другими словами, модель дает возможность подобрать оптимальные условия для управления скоростью движения летательных аппаратов, — отмечает казанский ученый. – Кроме того, СВЧ-разряды интересны и с фундаментальной точки зрения, поскольку являются примером открытых самоорганизующихся систем. Наша модель позволяет описать различные формы разряда, формирование структур - филаментов и многое другое».

Также Алмаз Сайфутдинов поделился перспективами научного поиска в данном направлении.

«Мы развиваем нашу модель с точки зрения возможности лазерного инициирования СВЧ-разрядов, при котором с помощью предварительной лазерной искры можно будет зажечь СВЧ-разряд в необходимой точке пространства», - отметил он. 

По материалам пресс-службы РНФ