Космический эксперимент "Плазменный кристал"

Оценка: 0.0 7339 2 Наука и Технологии

22:04

Плазменный кристалл. Эксперимент с 4-м состоянием вещества - плазмой. Такого, что увидели ученые в невесомости - не увидишь на Земле. Плазма, как оказалось не жидкая, а имеет кристаллическую решетку. Эксперимент поразил ученых - оказывается завихрения возникающие в плазме в точности повторяют строение и зарождение нашей галактики... Если же плазму охлаждают криогенно она формируется в почти точную копию строения ДНК спиралеобразную форму...

Исследования в области физики низкотемпературной плазмы и физической газовой динамики относятся к традиционным направлениям научной деятельности ИТЭС ОИВТ РАН. В Институте проводятся широкомасштабные теоретические и экспериментальные исследования разнообразных явлений в плазме, в том числе, в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока при низком давлении, высокочастотный, емкостной и индукционный разряды, а также плазма, индуцированная УФ излучением. Под научныи руководством Института проведен уникальный космический эксперимент "Плазменный кристалл", в ходе которого на борту орбитального комплекса "Мир" исследовался процесс кристаллизации пылевой плазмы в условиях микрогравитации. Эксперимент продолжается на Международной космической станции в сотрудничестве с немецкими учеными. В Институте традиционно изучаетс физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. В рамках этого направления проводится ряд глобальных вычислительных экспериментов, в том числе по изучению эволюции крупномасштабных структур в полях ветровых зональных течений, образующихся при взаимодействии комет с атмосферами планет.
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА Плазма с макрочастицами широко распространена в природе (планетарные кольца, кометные хвосты, межзвездные облака) и находит применение в технике (установки для плазменного травления при производстве микросхем в электронике, плазмо-химические реакторы, различные энергетические установки). Несмотря на то, что исследования такой плазмы имеют давнюю историю, в последние годы сформировалась новая область физики - физика пылевой плазмы. Сегодняшний интерес к пылевой плазме связан, прежде всего, с процессами самоорганизации и образования упорядоченных структур, так называемых плазменно-пылевых кристаллов. Особое место занимают работы, связанные с исследованиями термической плазмы атмосферного давления, генерируемой в результате сжигания разнообразных топлив, а также пионерские работы по исследованию пылевой плазмы в условиях микрогравитации, проведенные на орбитальном комплексе "Мир”.

КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ "ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ”- ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ
Орбитальный комплекс "МИР" Схема эксперимента Постановка экспериментов на орбитальном комплексе "Мир” (экспедиции ЭО-24 и ЭО-26) по исследованию формирования и поведения плазменно-пылевых образований в условиях микрогравитации была направлена на выполнение следующих задач: Моделирование процессов формирования плазменно-пылевых структур в верхних слоях атмосферы Земли из частиц, заряжающихся в результате поверхностной фотоэмиссии под действием солнечного Уф излучения. Исследование трехмерных пылевых структур, формирующихся в плазме тлеющего разряда.
Воздействие солнечного УФ-излучения
Космонавты А.Я. СОЛОВЬЕВ И П.В. ВИНОГРАДОВ проводят эксперимент по исследованию воздействия солнечного УФ-излучения Ампула для исследования УФ-излучения Последовательные состояния системы частиц при P=40 торр через 2 сек, 50 сек,110 сек после динамического воздействия

ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Экспериментальный стенд Основные параметры термической плазмы Температура Т_g = 1700-2200 К Скорость плазменной струи V_g = 2-3 м/с Концентрация электронов и ионов n_e = 10² - 10¹² см^-3 Размеры макрочастиц D_p ~ 1 мкм Концентрация макрочастиц n_p = 10⁴ - 10⁷ см³ Продукты сгорания алюминизированных синтетических твердых топлив (частицы Al₂O₃) Продукты сгорания углеводородных топлив (частицы CeO₂ ) Бинарные корреляционные функции, полученные: С помощью лазерного время-пролетного счетчика В измерениях дифракции излучения на структурах Методом визуализации

ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Экспериментальный стенд	Схема эксперимента
Парамеры плазмы Давление 0,1-2 Topp Концентрация электронов n_e=10⁷-10⁹ см^-3 Температура электронов T_e3-5 эВ
Плазменно-пылевой кристалл

Сферические частицы D_p=1.87 мкм	Циллиндрические частицы D_p=15 мкм, L_p=300 мкм
Сложная структура с одновременным существованием кристаллической и жидкостной фаз	Пылезвуковые волны
Параметры пылезвуковых волн
Shock Wave Formation in a dc Glow Discharge Plasma

ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННАЯ ПЛАЗМА
Схема эксперимента с кольцевым индуктором Частота генератора 100 МГц	Схема экмперимента с плоским индуктором Частота генератора 27 МГц
Текстуры из монодисперсных частиц D_p=1.87 мкм
Плазменно-пылевой кристалл Сферические частицы D_p=1.87 мкм
Изображение плазменно-пылевого кристалла
Функция распределения
Сепарация частиц по размерам
Частицы CeO₂	D_p=0.6-5 мкм
Полимерные частицы
Индикатриссы рассеяния различных сечений пылевого облака (размер частиц указан в мкм)

ЯДЕРНО-ВОЗБУЖДАЕМАЯ ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА
Пылевые структуры в ядерно-возбуждаемой пылевой плазме при воздействии бета-частиц (воздух)
Экспериментальный стенд	Вертикальное сечение пылевого вихря
Изображение пылевого облака	Функция распределения
Полидесперсные B-активные частицы D_p~1 мкм
Пылевые структуры в ядерно-возбуждаемой пылевой плазме при воздействии a-частиц и осколков деления cf (инертный газ)
Экспериментальный стенд
Схема эксперимента
Полимерные монодисперсные частицы, D_p=4.82 мкм	Полидисперсные частицы CeO₂, D_p~1 мкм

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ВЫХОД УДАРНОЙ ВОЛНЫ ИЗ КАНАЛОВ РАЗНОГО СЕЧЕНИЯ
Выход ударной волны из канала (дифракция) - сложный процесс, не описываемый ни теорией взрыва, ни теорией струй, и требующий проведения физического и численного экспериментов. Экспериментально и теоретически установлено распределение параметров потока за ударной волной в трехмерном случае в свободном пространстве и при взаимодействии ее с преградой. Обнаружены области сравнительной безопасности за ударной волной после ее выхода из канала квадратного сечения. Найдена возможность управления импульсом воздействия ударной волны на преграду путем изменения геометрии канала. Полученные результаты могут быть использованы для анализа аварий при взрывах в шахтах, домах, при разрыве трубопроводов, емкостей под давлением, для обеспечения безопасности энергонапряженных производств.
Ударная труба (1) с барокамерой (2), теневыми приборами (3) и высокоскоростной камерой (4)
Теневые фотографии трех последовательных стадий дифракции ударной волны (М_о=3) из канала квадратного сечения в двух осевых плоскостях: (1)-параллельно стороне квадрата и (2)-через диагональ квадрата.
Численное сопровождение эксперимента
Результаты расчета поля параметров на пластине, расположенной у торца канала квадратного сечения при выходе ударной волны (М_о =3).
Распределение плотности в потоке за ударной волной, выходящей из канала квадратного сечения на различных расстояниях от выхода.

СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА В ДЕТОНАЦИОННОМ РЕЖИМЕ
Максимальные удельные мощности энерговыделения в камерах сгорания различных двигателей.

Схема экспериментальной детонационной камеры сгорания переменного сечения: 1-коллектор подвода горючего и окислителя, 2-блок поджига, 3-форкамера, 4-переходник, 5-основная камера, 6-узел усиления, 7-канал пересжатой детонации, a-l - датчики.
Скорость детонационной волны в цилиндрическом канале 7 на выходе из камеры сгорания при работе в различных режимах: 1-режим пересжатой детонации, 2-режим многоступенчатой детонации, 3-расчетные значения детонации Чепмена-Жуге; L,d-длина и диаметр канала
Принципиальная схема пульсирующего детонационного двигателя
Создание принципиально новой детонационной камеры сгорания, в которой реализуются преимущества детонации по сравнению со сжиганием топлива в режиме горения, представляет сложную научно-техническую проблему. Создана камера сгорания, работающая на газовых смесях в детонационном режиме с частотой до 93 Гц при принудительном охлаждении и до 3 Гц без охлаждения. При работе в пульсирующем режиме был найден новый режим детонации, названный многоступенчатой детонацией (МСД), который позволяет достичь еще более высоких параметров газового потока. Исследована зависимость режима МСД от состава смеси и частоты работы камеры, предложены пути его стабилизации. Предлагается использовать режим МСД при создании авиационного пульсирующего детонационного двигателя (ПДД) для повышения эффективности его работы.
Структура сверхзвуковой импульсной струи
Формирование и динамика сверхзвуковой струи определяются нестационарностью, развитием целой серии неустойчивостей, турбулентностью, генерацией ударных волн, образованием пространственных структур. Представлены результаты численных экспериментов, реализованных путём создания кластера из нескольких работающих параллельно персональных компьютеров класса PENTIUM III и специально разработанного программного обеспечения. Сверхзвуковые струи определяют: перемешивание топлива в перспективных реактивных двигателях нового типа; истечение продуктов горения в импульсных двигателях коррекции космических аппаратов; разлёт испаряющегося вещества при воздействии лазерного излучения на твёрдое тело; залповые выбросы из кратеров вулканов; струи в звездных системах и квазарах.
Формирования сверхзвуковой струи (эксперимент)
Расчет сверхзвукового истечения легкого газа в более тяжелую среду. Красным выделена структура ударных волн в окружающей среде, серым - структура ядра и головной части струи, желтые линии - траектории частиц. Расчетная сетка: 7070100. Время счета - 6 часов
Управление импульсом воздействия ударной волны на преграду
Воздействие ударной волны на преграду определяется относительной ролью двух процессов: действия ударной волны и действия струйного течения потока за ней.Влияние частичного перекрытия канала, из которого выходит ударная волна, может приводить к уменьшению или увеличению динамического воздействия ударных волн на преграду в зависимости от времени воздействия и числа Маха ударной волны. С помощью численного моделирования установлено распределение параметров потока за ударной волной, выходящей из канала в свободное пространство и при взаимодействии ее с преградой. Установлено, что частичное перекрытие канала в случае слабых ударных волн приводит к увеличению давления на преграде. Полученные результаты могут быть использованы при очистке котлов от нагара, поверхности чипов в микроэлектронике, для анализа аварий при взрывах в шахтах, домах, при разрыве трубопроводов, емкостей под давлением, и для обеспечения безопасности энергонапряженных производств.
Схема расчетной области
Распределение давления при взаимодействии с преградой ударной волны, выходящей из открытого осесимметричного канала, для четырех последовательных стадий взаимодействия. Цвет обозначает относительную величину давления (синий - наибольшее, бордовый - наименьшее.) 1 - датчик давления
Изменение давленияна преграде, установленной при выходе ударной волны из канала, перекрытого диафрагмой с отверстием (-), и из открытого канала (-) Мо = 3	Изменение давления на преграде при выходе ударной волны из канала, перекрытого диафрагмой с отверстием (-), и из открытого канала (-). Мо = 1,15
Численное моделирование нестационарных газодинамических явлений
Расчет плоских, осесимметричных и пространственно-трехмерных нестационарных задач; Эффективное использование возможностей одно- и многопроцессорных компьютеров (коэффициент использования процессоров достигает 0.96-0.98); Эволюция систем газов и твердых тел, имеющих произвольную геометрическую конфигурацию; Возможность задания разнообразных граничных условий в любой ячейке, например, границы счетной области - свободная граница, постоянное значение (давление, скорость, концентрация), тело и т.д.; Нестационарные процессы в режиме установления; До-, транс- и сверхзвуковые течения; Вязкие и невязкие, сжимаемые потоки. Реализованный алгоритм существенно расширяет область применения программы для изучения эффектов вязкости в газах, взаимодействия потока с поверхностями, и т.д.; Диффузия и теплопроводность; Химические реакции в потоках включающие горение, детонацию, дефлаграцию; Процессы детонации в газообразных и конденсированных взрывчатых веществах с учетом изменения их фазы; Учёт воздействия гравитационных и массовых сил; Газодинамические течения в условиях периодического энергоподвода; Внешние и внутренние течения при обтекании сложных препятствий: например, моделирование эффекта Кармана, интерференции и дифракции ударных волн, формирования и развития процессов, имеющих место в камерах сгорания реактивных двигателей,взаимодействие струй с преградами. Примеры проведенных расчетов: Ударные волны: прохождение преград холостой выстрел эффект Кармана Горение, детонация: взрыв в здании детонация заряда звездообразный многофазный заряд взрыв топливно-воздушной смеси вблизи здания Экология и безопасность: взрыв топливно-воздушной смеси

НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКАХ
Экспериментальный стенд для исследования неравновесных процессов в высокотемпературных ударно-нагретых потоках.
Неравновесное излучение сверхзвуковых струй высокотемпературного газа
Интенсивность и спектральный состав излучения выхлопных струй ракетных двигателей является сложной функцией релаксационных и химических процессов в неодномерном сверхзвуковом потоке высокотемпературного газа. Проведены экспериментальные и численные исследования спектрального и пространственного распределения интенсивностей ИК, видимого и УФ излучения в сверхзвуковых струях диссоциированного СО₂, N₂ и H₂O. Разработаны механизмы взаимодействия релаксационных и рекомбинационных процессов в сверхзвуковых потоках. Полученные результаты используются для анализа и поиска путей изменения излучательных характеристик выхлопных струй ракетных двигателей.
Распределение яркостных температур в ИК спектре во время "стартовой вспышки" при запуске РД	Яркостные температуры, определяющие ИК, видимый и УФ спектр сверхзвуковой струи диссоциированного СО₂
Неравновесное воспламенение горючих газов за ударными волнами
Воспламенение горючих газов за ударными волнами вблизи низкотемпературных пределов определяется взаимодействием неравновесных процессов во фронте волны с кинетикой начальных стадий развития цепных реакций. Проведены экспериментальные исследования процесса воспламенения водородо-воздушных смесей за слабыми ударными волнами. Разработана численная модель, учитывающая влияние высокоэнергетичных соударений в зоне поступательной релаксации на кинетику ранних стадий воспламенения. Полученные данные могут найти применение при разработке новых типов гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей и повышения взрывобезопасности атомных электростанций и угольных шахт.
Экспериментальные и расчетные данные о задержках воспламенения смесей Н2+О2 за ударными волнами 1-общепринятая модель, 2-модель данной работы, 3-ускорение воспламенения под действием неравновесных процессов во фронте ударной волны	Влияние атомарного кислорода (О) на время задержки (t) воспламенения водорода
Неравновесное формирование наночастиц в высокотемпературном газе
Один из наиболее перспективных путей получения наночастиц различных материалов с заданными свойствами - высокотемпературные газовые реакции. Проведены экспериментальные исследования процессов формирования наночастиц углерода из углеродного пара при нагреве молекул С₃О₂ за ударными волнами. Впервые получены наночастицы различной формы и кристаллической структуры при температурах 2500-3500 К. Определены кинетические характеристики образования и распада таких частиц. Полученные результаты могут лечь в основу разработки новых технологий получения углерода. Обзор экспериментально наблюдаемых констант скоростей образования и распада углеродных наночастиц за ударными волнами. I - обратное время индукции, II - константа скорости роста частиц, Ш и IV - константы скорости распада "молодых" и "старых" частиц
Образцы полученных наночастиц под электронным микроскопом

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ И НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕИДЕАЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ
Плазменные волны и эффективная частота столкновений в двухкомпонентной неидеальной плазме
В неидеальной плазме число частиц в сфере Дебая N_D оказывается порядка или меньше, или даже много меньше единицы. Такая плазма изучается экспериментально в ударных волнах в газах и твердых телах, при электровзрыве проводников, при воздействии мощных электронных пучков и коротких лазерных импульсов на твердотельные и газовые мишени, в капиллярном и искровом разрядах и др. С использованием как теоретических подходов, так и моделирования методом молекулярной динамики в ИТЭС ОИВТ РАН развита теория динамических и стохастических свойств изотермической и неизотермической невырожденной двухкомпонентной (электроны и однократные ионы) неидеальной плазмы. Показано, что плазменные волны существуют во всей исследованной области, а декремент столкновительного затухания проходит через максимум в районе параметра неидеальности около 1 (N_D ~ 0.1). Определён вклад затухания Ландау. Рассчитаны дисперсионные характеристики. Для различных вариантов начальной неравновесности изучена релаксация функций распределений электронов и ионов по скоростям и энергиям. Выделены два этапа релаксации: начальный динамический (неэкспоненциальный) и последующий больцмановский (экспоненциальный). Показано, что времена релаксации на несколько порядков превышают экстраполяционные оценки по теории Ландау для идеальной плазмы в согласии с недавно появившимися экспериментальными данными. Различными способами (из декремента затухания, автокорреляторов скоростей и токов, времён релаксации) определены эффективные частоты столкновений. Рассчитаны значение энтропии Крылова-Колмогорова и времени динамической памяти. Получена обобщенная формула, определяющая связь этих величин с уровнем флуктуаций полной энергии. Указана связь времени динамической памяти с длительностью неэкспоненциальной релаксации. Эффективная частота столкновений, полученная различными способами из МД моделирования: черные ромбы и синие треугольники - из автокорреляторов тока на нулевой и плазменной частотах, соответственно, красные кружки и аппроксимирующая их линия - из динамического структурного фактора (декремент затухания ленгмюровских волн). Теория: зеленые линии - теория идеальной плазмы (штрих-пунктирная - с фиксированным кулоновским логарифмом L_e = 3,2), черный пунктир справа - асимптотика для Г > 1, сплошная черная кривая - независимый расчет Schlanges M. et al, Cotrib. Plasma Phys., v. 43, p. 360 (2003).

В неидеальной плазме число частиц в сфере Дебая N_D оказывается порядка или меньше, или даже много меньше единицы. Такая плазма изучается экспериментально в ударных волнах в газах и твердых телах, при электровзрыве проводников, при воздействии мощных электронных пучков и коротких лазерных импульсов на твердотельные и газовые мишени, в капиллярном и искровом разрядах и др.
Магнитогидродинамические явления при движении метеороида в атмосфере планеты
При столкновении кометы Шумейкер-Леви 9 с Юпитером был обнаружен ряд глобальных эффектов, связанных с возмущением планетной магнитосферы. Для анализа и объяснения этих эффектов необходима информация о МГД явлениях, происходящих при движении крупного космического тела (метеороида) в атмосфере планеты. Для изучения этих явлений были разработаны двумерные нестационарные МГД модели, отвечающие различной ориентации планетного магнитного поля относительно продольной оси метеороида. Расчеты проводились с использованием исходных данных, близких к условиям юпитерианского столкновения. Показано, что возникающее в исследуемом процессе магнитное поле может превышать планетное на 1-3 порядка (в зависимости от ориентации магнитного поля планеты и уровня высоты атмосферы). При движении фрагмента кометы в разреженных слоях атмосферы наблюдается высокий уровень МГД взаимодействия. Обнаружено перезамыкание силовых магнитных линий и образование МГД струи в следе за телом - эффекты, играющие ключевую роль в процессе взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром. Созданные МГД-модели и полученные на их основе данные могут быть использованы для анализа МГД-явлений, происходящих при столкновениях крупных метеороидов с Землей, и прогнозирования связанных с ними магнитосферных возмущений.
Компьютерная реконструкция процесса столкновения фрагментов кометы Шумейкер-Леви 9 с Юпитером	Распределение давления p(x,y) (разреженные слои атмосферы) У верхней по потоку границы метеороида реализуется пинчевое сжатие (красный цвет). Под влиянием МГД взаимодействия ударная волна отходит от тела
Распределение By(x,0) перед метеороидом (невозмущенное магнитное поле B0=5*10-4 T, плотные слои атмосферы) Компрессия (увеличение) магнитного поля происходит в скин-слое перед фронтом ударной волны и при торможении потока в ударно-сжатом промежутке. Максимум By отвечает внешней границе магнитного пограничного слоя перед телом метеороида.	Распределение силовых линий магнитного поля. У нижней по потоку границы метеороида реализуется пересоединение магнитных силовых линий с образованием Х-образной структуры. В следе за телом силовые линии имеют S-образную форму, обусловленную формированием в этой области МГД-струи.