СВЧ-разряд с безыскровой лазерной инициацией в сверхзвуковом потоке и влияние его следа на обтекание тел


Просмотр статьи
PDF, 2,5 МБ

Microwave discharge with sparkless laser initiation in supersonic flow and the influence of its trace on body aerodynamic

Experimental studies of microwave discharge with sparkless laser initiation were con-ducted in both quiescent and supersonic flow environments (Mach number 1.44). It was established that the active phase properties of the microwave discharge under supersonic flow conditions do not differ significantly from those observed in the absence of exter-nal flow. Shadowgraph images of shock waves in front of a cylindrical model in the su-personic flow, accompanied by energy deposition from the discharge, were obtained. Numerical simulations of gas-dynamic processes during discharge combustion, its trace evolution, and shock wave restructuring caused by the trace were performed. The results demonstrate the possibility of modifying the shock wave structure in front of the model for up to 100 μs, achieving a 30–60% reduction in stagnation pressure using a short-duration (0.5–2 μs) microwave discharge initiated by the laser.

microwave discharge, energy deposition, supersonic flow, sparkless laser initiation, experiment, numerical simulation.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.4.1189

Мария Альбертовна Абакарова, Юрий Владимирович Добров, Денис Сергеевич Кравченко, Валерий Александрович Лашков, Игорь Чеславович Машек, Максим Евгеньевич Ренев, Роман Сергеевич Хоронжук

Том 26, выпуск 4, 2025 год



Проведены экспериментальные исследования СВЧ-разряда с безыскровой лазерной инициацией в среде без внешних потоков, в условиях со сверхзвуковым потоком с числом Маха 1.44. Выяснено, что свойства активной фазы СВЧ-разряда с примененной инициацией в сверхзвуковом не отличаются значительно от случая отсутствия внешних потоков. Получены теневые фото ударных волн перед моделью-цилиндром в сверхзвуковом потоке с энерговложением рассматриваемым разрядом. Проведены численные моделирования газодинамических процессов во время горения разряда и в его следе, а также исследовано взаимодействия области нагретого газа с фронтом головной ударной волны. Показана возможность получения измененной структуры ударной волны перед моделью на 100 μs со снижением давления торможения на 30 ‒ 60% с помощью инициированного СВЧ-разряда с малой длительностью 0.5 – 2 μs.

СВЧ – разряд, энерговложение, сверхзвуковой поток, безыскровая лазерная инициация, эксперимент, численное моделирование.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.4.1189

Мария Альбертовна Абакарова, Юрий Владимирович Добров, Денис Сергеевич Кравченко, Валерий Александрович Лашков, Игорь Чеславович Машек, Максим Евгеньевич Ренев, Роман Сергеевич Хоронжук

Том 26, выпуск 4, 2025 год



1. Bletzinger P., Ganguly B. N., Wie D. V., Garscadden A. Plasmas in high speed aerodynamics // J. Phys. Appl. Phys. 2005. V.38, № 4. P. R33–R57.
2. Russell A., Zare-Behtash H., Kontis K. Joule heating flow control methods for high-speed flows // J. Electrost. 2016. V.80. P. 34–68.
3. Fomin V. M., Tretyakov P. K., Taran J.-P. Flow control using various plasma and aerodynamic approaches (Short review) // Aerosp. Sci. Technol. 2004. V.8, № 5. P. 411–421.
4. Starikovskiy A. Y., Aleksandrov N. L. Gasdynamic Flow Control by Ultrafast Local Heating in a Strongly Nonequilibrium Pulsed Plasma // Plasma Phys. Rep. 2021. Vol. 47, № 2. P. 148–209.
5. Knight D., Kianvashrad N. Review of Energy Deposition for High-Speed Flow Control // Ener-gies. 2022. V.15, № 24. P. 9645.
6. Azarova O. A., Kravchenko O. V. The Use of Spatially Multi-Component Plasma Structures and Combined Energy Deposition for High-Speed Flow Control: A Selective Review // Ener-gies. 2024. V.17, № 7. P. 1632.
7. Knight D. Survey of Aerodynamic Drag Reduction at High Speed by Energy Deposition // J. Propuls. Power. 2008. V.24, № 6. P. 1153–1167.
8. Азарова О. А., Ерофеев А. В., Лапушкина Т. А. Сравнение плазменного и теплового воз-действий на сверхзвуковое обтекание аэродинамического тела // Письма В Журнал Тех-нической Физики. 2017. Т.43, № 8. С. 93-101.
9. Kourtzanidis K., Raja L. L., Coumar S., Lago V. Numerical simulation of DC glow discharges for shock wave modification // 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting. San Diego, California, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2016. P. 1–11.
10. Azarova O. Supersonic Flow Control Using Combined Energy Deposition // Aerospace. 2015. V.2, № 1. P. 118–134.
11. Azarova O. A., Grudnitsky V. G., Kolesnichenko Y. F. Stationary streamlining bodies by su-personic flow with an infinite thin low density channel // Mat. Model. 2006. V.18, № 1. P. 79–87.
12. Anderson K., Knight D. D. Interaction of heated filaments with a blunt cylinder in supersonic flow // Shock Waves. 2011. V.21, № 2. P. 149–161.
13. Baccarella D., Lee G. S., Liu Q., Elliott G. S., Freund J. B., Lee T. Laser-Induced Plasma Igni-tion Experiments in a Direct-Connect Supersonic Combustor at Mach 3 // J. Propuls. Power. 2020. V.36, № 5. P. 732–743.
14. Brieschenk S., Kleine H., O’Byrne S. Laser ignition of hypersonic air–hydrogen flow // Shock Waves. 2013. V.23, № 5. P. 439–452.
15. Kandala R., Candler G., Glumac N., Elliott G. Simulation of Laser-Induced Plasma Experi-ments for Supersonic Flow Control // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Re-no, Nevada: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005.
16. O’Briant S. A., Gupta S. B., Vasu S. S. Review: laser ignition for aerospace propulsion // Pro-puls. Power Res. 2016. V.5, № 1. P. 1–21.
17. Ochs B. A., Menon S. Laser ignition in supersonic channel flow // Combust. Flame. 2020. V.214. P. 90–102.
18. Phuoc T. X. Laser-induced spark ignition fundamental and applications // Opt. Lasers Eng. 2006. V.44, № 5. P. 351–397.
19. Зворыкин В. Д., Ионин А. А., Левченко А. О., Селезнев Л. В., Синицын Д. В., Сметанин И. В., Устиновский Н. Н., Шутов А. В. Протяженные плазменные каналы в воздухе, со-зданные УФ-лазером и их применение для управления электрическими разрядами // Фи-зика Плазмы. 2015. Т.41, № 2. С. 125–162.
20. Bityurin V. A., Bocharov A. N., Dobrovolskaya A. S., Kuznetsova T. N., Popov N. A., Fili-monova E. A. Numerical Modeling of Pulse-Periodic Nanosecond Discharges // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V.2100, № 1. P. 012032.
21. Kinefuchi K., Starikovskiy A. Y., Miles R. B. Numerical investigation of nanosecond pulsed plasma actuators for control of shock-wave/boundary-layer separation // Phys. Fluids. 2018. V.30, № 10. P. 106105.
22. Kinefuchi K., Starikovskiy A. Y., Miles R. B. Control of Shock-Wave/Boundary-Layer Interac-tion Using Nanosecond-Pulsed Plasma Actuators // J. Propuls. Power. 2018. V.34, № 4. P. 909–919.
23. Starikovskii A. Y., Nikipelov A. A., Nudnova M. M., Roupassov D. V. SDBD plasma actuator with nanosecond pulse-periodic discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 2009. V.18, № 3. P. 034015.
24. Грачев Л. П., Есаков И. И., Александров К. В., Раваев А. А., Северинов Л. Г. Газовый электрический разряд в квазиоптическом СВЧ пучке. Москва, 2015. 164 с.
25. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. Долгопрудный: Издательский Дом “Интеллект,” 2009. 736 с.
26. Saifutdinov A. I., Kustova E. V. Dynamics of plasma formation and gas heating in a focused-microwave discharge in nitrogen //Journal of Applied Physics. – 2021. V. 129. №. 2. P. 023301
27. Saifutdinov A. I., Kustova E. V., Karpenko A. G., Lashkov V. A. Dynamics of Focused Pulsed Microwave Discharge in Air // Plasma Phys. Rep. 2019. Vol. 45, № 6. P. 602–609.
28. Saifutdinov A., Kustova E. Simulation of filamentation dynamics of microwave discharge in nitrogen //Plasma Sources Science and Technology. 2023. V. 32. №. 12. P. 125010.
29. Kolesnichenko Y., Brovkin V., Khmara D., Lashkov V., Mashek I., Rivkin M. Fine Structure of MW Discharge: Evolution Scenario // 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2003.
30. Pai D. Z., Lacoste D. A., Laux C. O. Nanosecond repetitively pulsed discharges in air at atmos-pheric pressure—the spark regime // Plasma Sources Sci. Technol. 2010. V.19, № 6. P. 065015.
31. Brovkin V., Afanas’ev S., Khmara D., Kolesnichenko Y. Experimental Investigation of Com-bined Laser - DC - MW Discharges // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Re-no, Nevada: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006.
32. Afanas’ev S. A., Brovkin V. G., Kolesnichenko Yu. F., Mashek I. Ch. Effect of gasdynamic processes on structure and threshold of laser spark initiated microwave discharge // Tech. Phys. Lett. 2011. V.37, № 8. P. 710–713.
33. Afanas’ev S.A., Brovkin V.G., Kolesnichenko Yu.F. Laser spark initiated microwave discharge // Tech. Phys. Lett. 2010. V.36, № 7. P. 672–674.
34. Khoronzhuk R. S., Karpenko A. G., Lashkov V. A., Potapenko D. P., Mashek I. Ch. Micro-wave discharge initiated by double laser spark in a supersonic airflow // J. Plasma Phys. 2015. V.81, № 3. P. 905810307.
35. Добров Ю. В., Лашков В. А., Машек И. Ч., Прокшин А. М., Ренев М. Е., Хоронжук Р. С. Лазерная безыскровая инициация подкритичекого СВЧ разряда // Инженерно-Физический Журнал. 2024. Т.97, № 4. С. 1078–1090.
36. Ренев М. Е., Добров Ю. В., Лашков В. А., Осипов Н. Д., Машек И. Ч., Хоронжук Р. С. Численное и экспериментальное исследование температуры следа лазерноинициирован-ного сверхвысокочастотного разряда // Журнал Технической Физики. 2025. Т.95, № 4. С. 702 – 711.
37. Ренев М. Е., Добров Ю. В., Осипов Н. Д., Лашков В. А., Машек И. Ч., Хоронжук Р. С. Ве-роятность и время появления, размеры СВЧ-разряда с лазерной безыскровой инициацией при различных давлениях среды и энергии импульса лазера // Физико-Химическая Кине-тика В Газовой Динамике. 2025. Т.26, № 1. С. 1-17.
38. Kolesnichenko Y., Khmara D., Afanas’ev S. Optimization of Laser-Pulse-Controlled MW En-ergy Deposition // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: Ameri-can Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007.
39. Гончаренко А. М. Гауссовы пучки света. Минск: Наука и техника, 1977. 144 с.
40. NIST Chemistry WebBook [Electronic resource]. URL: https://webbook.nist.gov/chemistry/.
41. Gupta R. N., Yos J. M., Thompson R. A., Lee K.P. A review of reaction rates and thermody-namic and transport properties for an 11-species air model for chemical and thermal nonequi-librium calculations to 30000 K, Nasa STI/Recon Technical Report L-16634 (1990).
42. Wilke C. R. A Viscosity Equation for Gas Mixtures // J. Chem. Phys. 1950. V. 18, № 4. P. 517–519.
43. Гиршфельдер Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М: ИЛ, 1961. 929 С.
44. Gnoffo P. A., Gupta R. N., Shinn J. L. Conservation Equations and Physical Models for Hy-personic Air Flows in Thermal and Chemical Nonequilibrium. NASA. TP-2867, 1989.
45. McGee H. A. Molecular Engineering. McGraw-Hill, New York. 1991. 444 p.
46. Kuo K. K. Y. Principles of Combustion. John Wiley and Sons, New York. 1986.
47. Федоров В.Ю., Кандидов В.П. Нелинейно-оптическая модель воздушной среды в задаче о филаментации фемтосекундных лазерных импульсов различной длины волны // Оптика И Спектроскопия. 2008. Т.105, № 2. С. 306–313.
48. Lee L. C., Smith G. P. Photodissociation and photodetachment of molecular negative ions. VI. Ions in O 2 /CH 4 /H 2 O mixtures from 3500 to 8600 Å // J. Chem. Phys. 1979. V.70, № 4. P. 1727–1735.
49. Biagi database, www.lxcat.net, retrieved on October 28, 2021.
50. IST-Lisbon database, www.lxcat.net, retrieved on October 28, 2021.
51. Itikawa Y., Ichimura A. Cross Sections for Collisions of Electrons and Photons with Atomic Oxygen // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1990. Vol. 19, № 3. P. 637–651.
52. TRINITI database, www.lxcat.net, retrieved on October 12, 2021.
53. Morgan database, www.lxcat.net, retrieved on October 28, 2021.
54. BSR database, www.lxcat.net, retrieved on September 29, 2022.
55. Itikawa database, www.lxcat.net, retrieved on October 28, 2021.
56. Lazarou C., Chiper A. S., Anastassiou C., Topala I., Mihaila I., Pohoata V., Georghiou G. E. Numerical simulation of the effect of water admixtures on the evolution of a helium/dry air discharge // J. Phys. Appl. Phys. 2019. V.52, № 19. P. 195203.
57. Mehr F. J., Biondi M. A. Electron Temperature Dependence of Recombination of O 2 + and N 2 + Ions with Electrons // Phys. Rev. 1969. V.181, № 1. P. 264–271.
58. Park C., Howe J. T., Jaffe R. L., Candler G. V. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. II - Mars entries // J. Thermophys. Heat Transf. 1994. V.8, № 1. P. 9–23.