Взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом на основе механизма объединения волн

2
* ОГЛАВЛЕНИЕ
Перечень условных обозначений...............................................6
Ведение.....................................................................7
Часть первая. Моделирование лазерно-микроволнового разряда.................23
Глава 1. Оптические разряды и их взаимодействие с потоком газа.............23
§1.1. Оптический пульсирующий разряд в актуальных задачах лазерной
физики, газодинамики и акустики............................................23
§ 1.2. Режимы оптических пробоев газа и проблема ввода энергии в газ.......26
§ 1.3. Оптический пульсирующий разряд......................................30
§ 1.4. Лазерно-микроволновой разряд:.......................................33
§ 1.5. Плазменные и газодинамические возмущения, создаваемые оптическими
разрядами в газе...........................................................34
§ 1.6. Цель и задачи исследования..........................................37
Глава 2 Модель оптимальных параметров лазерного излучения при формировании
мощного ОПР................................................................39
# § 2.1. Постановка задачи при моделировании ОПР............................39
§2.2. Параметры лазерного излучения, оптимальные для формирования
мощного ОПР. Модель...................................................40
§2.3. Примеры использования модели для расчета излучения и ОПР.........46
§2.4. Экспериментальное исследование влияния давления газа и
параметров лазерных импульсов на длину искр................................47
Глава 3. Моделирование лазерно-микроволнового разряда......................52
§3.1 Постановка задачи в эксперименте по лабораторному моделированию
лазерно-микроволнового разряда в газе......................................52
§3.2 Экспериментальное исследование формирования и распада
лазерных искр в воздухе и аргоне...........................................56
§3.2.1 Схема эксперимента..................................................56
§3.2.2. Формирования лазерной искры и каверны при оптическом пробое газа 58
§3.2.3. Энергетические характеристики оптического разряда..................64
§3.3 Моделирование лазерно-микроволнового разряда..........................66
%
3
* §3.3.1. Схема подвода СВЧ излучения к оптическому разряду и регистрации
эффектов взаимодействия.....................................................66
§3.3.2. Динамика взаимодействия СВЧ излучения с распадающейся
лазерной плазмой............................................................69
§3.4 Модель формирования лазерно-микроволнового разряда.....................77
§3.4.1. Плазменный канал, создаваемый движущимся оптическим
пульсирующим разрядом.......................................................77
§3.4.2. Микроволновой разряд в лазерной плазме..............................83
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. Взаимодействие оптического пульсирующего разряда
с газом на основе механизма объединения ударных волн........................83
Глава 4 Математическая модель, используемая для компьютерного моделирования
возмущений, создаваемых ОПР.................................................88
§4.1. Математическая модель движущегося ОПР.................................88
§4.2. Разностная схема численного решения модели............................91
§4.3. Тестирование модели и сравнение с экспериментальными данными..........94
Глава 5. Исследование ударных волн, создаваемых лазерной искрой............101
§5.1. Параметры подобия для ударных волн...................................102
§5.2. Моделирование объединения ударных волн для неподвижного ОПР 107
§5.3. Аналитические выражения для параметров УВ и каверны
лазерной искры.............................................................110
§5.4. Экспериментальное исследование ударных волн при пробое газа излучением
С02-лазера.................................................................113
§5.5. Фаза сжатия и (Л -1) диаграмма ударных волн, создаваемых
* лазерной искрой............................................................116
Глава 6. Механизм объединения ударных волн, создаваемых оптическим
пульсирующим разрядом......................................................123
§6.1. Схема формирования квазистационарной волны при движении ОПР
с постоянной скоростью.....................................................126
§6.2. Влияние мощности и скорости ОПР на структуру
квазистационарной волны....................................................129
« §6.3. Критерии объединения ударных волн, создаваемых движущимся ОПР 134
4
<4 §6.4. Экспериментальное исследование эффективности формирования ударных
волн оптическим пульсирующим разрядом......................................137
§6.5. Модель стабильной генерации ударных волн.............................145
§6.6. Критерии механизма объединения волн в различных газах................156
§6.6.1. Рассмотрение механизма на основе К -1 диаграмм ....................157
§6.6.2. Параметры подобия и критерии объединения УВ в различных газах 165
§6.7. Свойства квазистационарной волны.....................................170
§6.7.1. Динамика формирования квазистационарной волны......................171
§6.7.2. Параметры подобия...................................................178
§6.7.3. Давление и длина квазистационарной волны............................185
Глава 7. Ускорение лазерной плазмы оптическим разрядом, движущимся
в газе со сверхзвуковой скоростью...........................................193
§7.1. Схема ускорения лазерной плазмы.......................................194
§7.2. Ускорения плазмы одной искры при истечении в “вакуумный” канал 196
§7.3. Модель формирования стационарной струи................................207
§7.4. Экспериментальна проверка эффекта ускорения...........................217
Глава 8. Экспериментальное исследование взаимодействия ОПР с газом
на основе механизма объединения волн........................................222
§8.1. Модель генерации ударных волн неподвижным ОПР, обоснование условий
эксперимента...............................................................222
§8.2. Схема эксперимента по исследованию воздействия неподвижного
ОПР на окружающий газ......................................................227
§8.3. Генерация ультразвука и аномально интенсивного низкочастотного звука на
* основе механизма объединения ударных волн. Эксперимент......................229
§8.4.0боснование лабораторного эксперимента по созданию движущегося
ОПР, в котором проявляется механизм объединения волн.......................240
§8.5. Экспериментальное подтверждение МОВ и его критериев..................249
§8.6. Влияние механизма объединения волн на эффект Доплера.................260
Глава 9. Механизма объединения волн в лазерном двигателе и акустике 267
§9.1. Модель лазерного воздушно-реактивного двигателя на основе механизма
# объединения ударных волн....................................................267
5
$ §9.2. Оценка параметров ОПР, создающего низкочастотный звук 277
Заключение.................................................................279
Список цитируемой литературы...............................................282
*
*
-4»
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
КВ - квазистационарная волна
ЛМР - лазерно-микроволновой разряд
МОВ механизм объединения ударных волн
НОР - непрерывный оптический разряд
ОР - оптический разряд
ОПР - оптический пульсирующий разряд
СВЧ - сверхвысокие частоты
СДВ - светодетонациониая волна
УВ - ударная волна
г время
ъ - координата вдоль оси движения ОПР
я - расстояние по радиусу от оси движения ОПР
Ка - динамический радиус лазерной искры
и - динамическое время искры
Яг - энергия лазерного импульса
- длительность лазерного импульса
Введение
Актуальность Диссертация посвящена исследованию взаимодействия оптического пульсирующего разряда (ОПР) с газом на основе механизма объединения ударных волн (МОВ), который выявлен диссертантом. Фундаментальное значение МОВ состоит в том. что механизм охватывает широкий класс процессов взрывного характера - действует в разных средах, при различной энергии и природе источника ударных волн (УВ). МОВ - основа для решения ряда задач и проблем в механике и физике: генерация низкочастотных волн в газе и плазме с магнитным полем; повышение в несколько раз эффективности лазерного двигателя; управление полетом сверхзвуковых тел; формирование потока плазмы в свободном газовом пространстве; зондирование Земли точечными зарядами.
Суть МОВ - преобразование энергии высокочастотных процессов в низкочастотные квазистационарные волны (КВ) - область повышенной плотности среды. В отличие от УВ, длина КВ линейно зависит от затрат энергии на ее создание, давление в КВ максимально на заднем фронте, распределение параметров постоянно во времени. Наибольшие перспективы МОВ имеет в качестве нового метода эффективной генерации низкочастотных волн с использованием импульсно-периодического (И-П) лазерного излучения. Схема состоит в следующем. И-П лазерное излучение с длительностью импульсов ~ 1 мке создает лазерные искры в движущемся фокусе или фокус неподвижен, а лазерное излучение поглощается в потоке газа. Лазерная искра и УВ ею создаваемая, хорошо исследованы [1]. Новое качество возникает, если частота Г повторения импульсов соответствует диапазону резонансных частот МОВ, который зависит от скорости движения фокуса. КВ формируется в результате объединения УВ, создаваемых многими лазерными искрами. Такой тип нелинейного взаимодействия можно назвать оптическим пульсирующим разрядом (ОПР). Другое свойство ОПР - при 20 - 100 кГц плазма искр не распадается за время 1/Г, движущийся ОПР создает плазменный канал. В этом случае ОПР имеет признаки непрерывного оптического разряда (НОР) [1]. В отличие от НОР, где давление выровнено с окружающим газом, в ОПР давление пульсирует с частотой Г и достигает в десятков атмосфер. НОР горит при малых скоростях газового потока. ОПР может
быть неподвижным или перемещается с большой, в том числе, сверхзвуковой скоростью. Актуальность создания модели МОВ связана с тем, что ОПР и МОВ создают в окружающем газе ранее неизвестные эффекты. Например, уже при сравнительно малой скорости движения ОПР перестает проявляться эффект Доплера, возникают инфра- ультразвуковые поля с управляемым спектром или формируется интенсивная плазменная струя и УВ (аналог полета ракеты). Воздействие ОПР на окружающий газ сильное (~ 30 % от мощности лазерного излучения).
Начиная с семидесятых годов прошлого века, изучалась возможность использования лазерного излучения для управления структурой сверхзвукового потока газа. Для снижения аэродинамического сопротивления предлагалось использовать плазменные эффекты [2], вводить энергию [3, 4] или создавать тонкий канал [5] перед сверхзвуковым телом. Существовало ограничение -отсутствовал механизм переноса фронта оптического разряда со скоростью — 100 — 3000 м/с. Проблему удалось преодолеть в 1992 году в совместных исследованиях ИЛФ СО РАН и ИТПМ СО РАН, выполненных под руководством А.Г. Пономаренко и П.К. Третьякова. Впервые осуществлен квазинепрсрывный ввод И-П лазерного излучения в сверхзвуковой поток газа [6]. При частоте {~ 50 кГц ОПР, горящий перед моделью тела, снижал сопротивление [7], наблюдались У В, тепловой след. Ю.П.Райзером и Л. Мирабо предложена модель лазерной, воздушной иглы [8], создаваемой периодическими лазерными искрами. В экспериментах Юрьева А.С [9] наблюдалось изменение структуры сверхзвукового потока при зажигании нескольких мощных лазерных искр перед моделью тела. Работы [6, 7] выполнялись в рамках Государственных программ “Ивлет” и “Планета”, в которых диссертант принимал участие в качестве ответственного исполнителя от ИЛФ по “Планете”.
Новизну и значение МОВ и ОПР покажем на примере проблемы генерации низкочастотных волн. Для достижения высокого КПД необходимо использовать устройства, имеющие большие размеры и/или массу, энергию. Так, длина УВ слабо зависит от энергии искры или взрыва. Длина антенн сравнима с длиной волн. Альтернативные методы, например, амплитудной модуляции имеют низкий КПД.
9
* В работах [10, 11] изучался звук, создаваемый при облучении поверхности жидкости цугом лазерных импульсов. Бункиным Ф.В. высказывалась идея о возможности генерации инфразвука - спектр цугов волн в жидкости может содержать низкочастотную компоненту на частоте повторения цугов F. Однако при амплитудной модуляции доля мощности на частоте F, так же как и в методе генерации разностной частоты двух сигналов, мала ba ~ F/f ~ 0.001, где f »F -частота повторения импульсов в цуге. Отличие ОПР и МОВ в том, что доля мощности на частоте F растет ~ f и может достигать ba ~ 1. Несущественно
*
ограничение, связанное с длиной излучателя. Функция ОПР - создавать ударные волны. Для этого не нужны большие размеры ОПР, необходима высокая плотность энергии в искрах. УВ объединяются в окружающем газе. В [10, 11], а также в работах по транспортировке мощного лазерного излучения в атмосфере [12], условия для проявления МОВ отсутствовали.
В связи с созданием мощных лазеров с частотой повторения импульсов ~ 100 кГц [13] тема диссертации актуальна для аэрокосмических приложений. По
Ï
инициативе Аполлонова В.В. и совместно с ним в диссертации разработан новый подход к решению проблемы лазерного двигателя на основе ОПР и МОВ.
Таким образом, ОПР и МОВ - не только новый механизм, но и уникальный инструмент для решения ряда проблем. В связи с этим, актуальна задача продвижения в диапазон больших мощностей ОПР. Совместно с А.Г. Пономаренко диссертант предложил решение - комбинированное использование лазерного и СВЧ излучения, генераторы которого имеют высокий КПД. Движущийся ОПР создает плазменный канал, в котором поглощается более мощное СВЧ излучение.
* Для управления полетом сверхзвуковых тел важно, что область поглощения
лазерного и СВЧ излучения локализована и может двигаться в газе с большой скоростью. Ранее лазерная искра использовалась для поджига СВЧ разряда, который распространялся за пределы искры [14]. Поглощение энергии СВЧ может сопровождаться сильными газодинамическими возмущениями [14, 15], что является необходимым условием проявления МОВ.
#
Цель работы Исследование нового явления - взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом на основе механизма объединения ударных волн. Создание физической модели, поиск новых эффектов, формируемых ОПР и МОВ.
Задачи исследования
1. Создание физической модели взаимодействия оптического пульсирующего разряда с газом на основе механизма объединения волн:
- определение условий эффективного преобразования лазерного излучения в ударные волны, генерируемые ОПР;
- поиск критериев проявления механизма объединения волн;
- исследование свойств квазистационарных волн.
2. Обоснование универсальной природы механизма объединения волн на примере изучения в различных газах.
3. Исследование новых эффектов, основанных на ОПР и МОВ:
- формирование плазменной струи при движении ОПР;
- генерация волновых полей, содержащих одновременно ультразвуковую и аномально интенсивную низкочастотную компоненты (близко к инфразвуку);
- ограничение области проявления эффекта Доплера для движущегося ОПР;
4. Моделирование квазинспрерывного лазерно-микроволнового разряда:
- разработка модели, описывающей параметры лазерного излучения, оптимальные для формировании ОПР;
- исследование поглощения СВЧ излучения плазмой распадающихся лазерных искр, определение времени, в течение которого искра поглощает излучение;
- построение модели лазерно-микроволнового разряда, описывающей основные характеристики разряда.
5. Создание модели лазерного двигателя, основанного на свойствах ОПР и МОВ.
Методы исследований - теория, компьютерное моделирование, эксперименты с использованием мощного лазерного излучения.
Научная новизна
1. Впервые выявлен механизм обт,единения ударных волн, который преобразует высокочастотные пульсации ОПР в низкочастотные квазистационарные волны в окружающем газе. Механизм имеет универсальную природу: может действовать при горении ОПР или при протекании процессов взрывного характера. В зависимости от пространственно временной структуры пульсаций и скорости перемещения ОПР действие МОВ проявляется в виде различных эффектов, основным свойством которых является большая длина зоны возмущения.
2. Впервые найдены критерии проявления МОВ. Они имеют безразмерный вид и применимы для описания МОВ в разных газах.
3. Определены условия, при которых ОПР эффективно (~ 30 %) преобразует И-П лазерное излучение в УВ, что является необходимым условием действия МОВ.
4. Впервые обнаружена КВ, которая формируется перед движущимся ОПР в результате действия МОВ. В противоположном направлении У В имеют диаграмму направленности. Длина КВ много больше длины отдельных УВ, из которых она сформировалась. В отличие от УВ, давление в КВ максимально на заднем фронте, то есть вблизи ОПР.
5. Впервые показано, что при амплитудной модуляции И-П лазерного излучения в виде цугов импульсов, в спектре цугов УВ на частоте повторения цугов Р в результате действия МОВ появляется сильная компонента, доля мощности которой пропорциональна частоте ^ лазерных импульсов в цуге. Это решает проблему создания точечных источников инфразвука с высоким КПД. В известных ранее методах амплитудной модуляции звука доля мощности на частоте Р имеет зависимость ~ Р/Г, КПД таких источников низкий - менее 1 %.
6. ОПР является новым источником звука. Впервые показано, что эффект' Допле-ра неприменим к движущемуся ОПР, если действует МОВ. Лишь при определен-ном сочетании параметров ОПР ведет себя как обычный акустический источник.
7. Впервые выявлен эффект - движущийся в газе ОПР создает канал с низкой плотностью, в котором газ ускорен до - 2.5 км/с. Найдены критерии эффекта.
8. На основе ОПР и МОВ предложен новый подход к решению проблемы лазерного воздушно-реактивного двигателя. При импульсном подводе энергии
MOB обеспечивает постоянно действующую силу тяги, которая в несколько раз превышает достигнутый для этих двигателей уровень и составляет - 2000 Н/МВт. Матричная структура рефлектора позволяет управлять траекторией полета.
9. Впервые предложен новый тип разряда - лазерно-микроволновой разряд (ЛМР). Движущийся ОПР создает след ионизованного газа с низкой плотностью и высокой температурой, в объеме которого поглощается более мощное СВЧ излучение, вводимое симметрично через боковую поверхность канала. В ЛМР СВЧ разряд локализован в границах канала, и ЛМР движется в газе. В ранее в методах лазерного поджига СЧВ разряд выходил за пределы искры.
Достоверность Выводы диссертации основаны на результатах, полученных теоретически, с использованием компьютерного моделирования, подтверждены в экспериментах.
Практическая ценность работы
Работа находится на стадии фундаментальных исследований. ОПР и МОВ найдут следующие применения.
- Лазерно-микроволновой разряд открывает перспективу продвижения в область больших мощностей квазинепрерывного воздействия излучения на газ.
- В лазерном воздушно-реактивном двигателе ОПР и МОВ позволяют: в несколько раз увеличить тягу, избежать трудностей, связанных с ударным и термическим воздействием лазерной плазмы на оптический рефлектор, управлять траекторией полета.
- ОПР и ЛМР применимы для снижения аэродинамического сопротивления тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью.
- Создание уникальных, не имеющие аналогов точечных источников инфра-ультразвуковых полей с управляемым спектром.
- Для плазмохимических технологий, а таюке имитации полета, представляет интерес плазменная струя и ударная волна, создаваемые движущимся ОПР.
- В физике взрывных процессов МОВ позволяет создавать протяженные зоны высокого давления в выделенном направлении.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Механизм объединения ударных волн - преобразование высокочастотных пульсации ОПР в низкочастотные квазистационарные волны. В сплошной среде периодически создаются ударные волны (УВ), начальная скорость которых больше скорости звука С0. Скорость V0 перемещения источника УВ меньше С0. Объединяясь, УВ создают низкочастотную КВ, если параметры ОПР соответствуют критериям механизма. МОВ действует в разных средах, при различной энергии источника УВ.
2. Критерии МОВ: ОПР создает КВ при со0 = 2.5-М0 > со > со2 =5.88*(1 - M0)L5, где Mo=V{>/Co, co=f*R4|/Co - безразмерная, a f размерная частота И-П излучения, Rd -динамический радиус искры. Левая часть - условие стабильной генерации УВ, правая - критерий объединения У В в КВ. Переходная область - со i =0.65 (1 - М0) < со < о>2 - здесь по мере приближения со к со 1 влияние МОВ уменьшается, а при со < СО] УВ не взаимодействуют. Критерии применимы для различных газов.
3. Свойства КВ. ОПР, движущийся с дозвуковой скоростью V0/Co~ 0.6ч-0.98, создает перед собой область высокого давления - КВ. Передний фронт КВ имеет скорость С0, задний - V0. Давление в КВ минимально на переднем фронте, максимально на заднем, через который в КВ закачиваются УВ. На асимптоте распределение давления в КВ не меняется со временем. Характерная длина КВ равна - 20-Rd. Движущийся ОПР создает КВ в виде сегмента шара, а неподвижный ОПР - в виде шара. Параметры подобия для КВ - М0, со.
4. Новые эффекты, основанные на действии МОВ.
- Эффект Доплера для ОПР ограничен действием МОВ: нелинейное взаимодействие ударных волн вблизи ОПР сопровождается искажением формы и спектра сигнала, регистрируемого датчиком. Эффект применим при со0 > со < odj.
- Эффект ускорения. Перемещающийся ОПР создает “вакуумный” канал с низкой плотностью и высокой температурой, в котором распадающаяся лазерная плазма ускорена в направлении, противоположном движению ОПР до ~ 2.5 км/с. Ускорение происходит в результате истечения газа из области высокого давления в канал. Создана модель, описывающая параметры струи и критерии ускорения.
- ОПР - точечный источник инфразвука с рекордной эффективностью. Цуги лазерных импульсов, повторяющиеся с частотой F«f, создают цуги УВ. В результате действия МОВ доля Ьа мощности акустического поля на частоте F растет ba - f и может достигать значения - 0.8. В известных ранее методах обратная зависимость и ba~F/f «1. ОГ1Р может создавать звук в диапазоне инфра-ультразвуковых частот.
5. Лазерно-микроволновой разряд (ЛМР). Движущийся ОПР создает в газе “вакуумный” канал (ионизованный газ с низкой плотностью, высокой температурой), в котором поглощается более мощное СВЧ излучение, вводимое аксиально-симметрично через боковую поверхность канала. Канал локализует СВЧ разряд. ЛМР эффективен на правой ветви СВЧ аналога кривой Пашеиа.
6. Модель, которая позволяет определить параметры лазерного излучения, оптимальные для создания мощного (десятки и более кВт) ОПР в воздухе (длительность импульсов - 0.2 - 1 мкс, частота повторения f -20 - 100 кГц), основные характеристики “вакуумного” канала. Его длина ограничена турбулентным тепломассопереносом, характерное время составляет ~ 1 - 2 мс.
Личный вклад диссертанта На защиту выносятся результаты исследований, проводившихся диссертантом лично или под его научным руководством. Диссертант, с помощью совместно разработанной с профессором д.ф.-м.н. Гулидовым А.И. математической модели, обнаружил и исследовал механизм объединения волн и его критерии, выявил эффект ускорения лазерной плазмы и ограничение эффекта Доплера, эффект одновременной генерации ультразвука и инфразвука. Разработал схему ввода мощного СВЧ излучения в лазерный канал и предложил лазерно-микроволновой разряд. Диссертантом проведено обоснование экспериментов по проверке защищаемых положений, созданы физические модели. Диссертант проводил расчеты, участвовал в экспериментах и в обработке результатов измерений. Внес основной вклад в подготовку статей. Работа выполнена в рамках: Государственной Программы “Планета” - ответственный исполнитель от ИЛФ СО РАН; четырех РФФИ проектов - научный руководитель; интеграционного проекта СО РАН №152 -
15
• ответственный исполнитель, ученый секретарь. Основные эксперименты
проведены на стендах ИЛФ СО РАН и ИТПМ СО РАН при активном участии заведующих лабораторий Грачева Г.Щметоды создания ОПР), Запрягаева В.И., Бойко В.М. и их сотрудников.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: International Symposium «Modem problems of laser physics», Novosibirsk, 1995, 1998, 2000, 2004; III Международное рабочее
*
совещание «Генераторы термической плазмы и технологии». Новосибирск, 1997; Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, 1997, 2001, 2003; конференция по физике низкотемпературной плазмы, Петрозаводск, 1998; International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers GCL/HPL'98, GCL/HPL'2002, GCL/HPL'2004; The 1 Workshop on “Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aero-space Application”, Moscow, IVTAN, 1999; “The Workshop on Magneto-Plasma-
►
Aerodynamics in Aerospace Applications”, Moscow, IVTAN, 2000, 2001, 2002, 2003. 2005; семинар в Институте гидродинамики СО РАН, 2002; Int. Conference LAT-2002, Moscow, June 22-27, 2002; Семинар “Акустика неоднородных сред - VII”, Новосибирск, 2000; 2002; 2004; ICMAR 2004, Novosibirsk; Third Int. Symposium on Beamed Energy Propulsion, Troy, New-York, Oct. 11-14, 2004; Интеграционный проект СО РАН № 152; РФФИ поддержал четыре проекта, которыми руководил диссертант.
ь ПУБЛИКАЦИИ
Содержание диссертации опубликовано в следующих работах.
1. Третьяков П.К., Грачев Г.Н., Иванченко А.И., Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н. Стабилизация оптического разряда в сверхзвуковом потоке аргона. ДАН. 1994.- т.336.-№ 4.- с.466-467.
2. Третьяков П.К., Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н., Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием
» мощного оптического разряда. ДАН, 1996, т.351, №.3, с.339-340.
16
• 3. Тищенко В.Н., Антонов В.М., Мелехов А.В., Никитин С.А., Посух В.Г.,
Третьяков П.К., Шайхисламов И.Ф. Микроволновой разряд в лазерной плазме. Письма в ЖТФ, 1996, т.22, в.24, с.30-34.
4. Grachev G.N., Ponomarenko A.G., Smirnov A.L., Tischenko V.N., Tret’jacov P.K. Production of a Powerful Optical Pulsating Discharge (POPD) by C02 Pulse-Periodic Laser Radiation in Supersonic Gas Flow. Laser Physics, 1996, v.6, №.2, p.p.376-379.
5. Тищенко B.H. Движение лазерно-микроволнового разряда в атмосфере. III Международное рабочее совещание «Генераторы термической плазмы и технологии». Новосибирск, 25-29 августа, 1997 г.
6. Tischenko V.N. A Laser-Microwave Discharge. Proceedings the Second International Symposium on “Modem Problems of Laser Physics”. Novosibirsk. 1997, v.2, p.428-438.
7. Tischenko V.N., Antonov V.M., Melekhov A.V., Nikitin S.A., Posukh V.G., Shaikhislamov I.F. Absorption of high-power microwave radiation in plasma of decaying optical breakdown of gas. J.Phys. D: Appl. Phys. 1998, v.31, p. 1998-2003.
* 8. Тищенко B.H. Лазерно-микроволновый разряд для управления полетом
сверхзвуковых тел. Оптика атмосферы и океана. 1998, т.11, №2-3, с.228-233.
9. Tischenko V.N.. Influence of a Powerful Laser-Microwave Discharge Moving With Supersonic Velocity upon the Atmosphere. Abstract GCL/HPL '98.
10. Пономаренко А.Г., Тищенко B.H., Грачев Г.Н., Антонов В.М., Мелехов А.В., Никитин С.А., Посух В.Г., Шайхисламов И.Ф. Лабораторное моделирование лазерно-микроволнового разряда. Доклады конференции по физике низкотемпературной плазмы. Петрозаводск. 1998. с.277-280.
^ 11. Ponomarenko A.G., Tischenko V.N., Grachev G.N., Antonov V.M., Gulidov A.I.,
Melekhov A,V., Nikitin S.A., Posukh V.G., Shaikhislamov I.F.. The transformation of a laser-microwave discharge into gas-dynamic disturbances moving at a supersonic velocity in the atmosphere. “Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aerospace Application”, Moscow, IVTAN, 1999, 82-92.
12. Тищенко B.H., Гулидов А.И.. Ускорение лазерной плазмы оптическим пульсирующим разрядом, движущимся в воздухе с гиперзвуковой скоростью.
# Письма в ЖТФ, 2000, т.26, в. 19, с.77-83.
17
# 13.Tischenko V.N., Gulidov A.I. Generation of a Plasma Jet by Optical Discharge
Moving in the Atmosphere with Hypersonic Velocity. The 2 Workshop on Magneto-
Plasma- Aerodynamics in Aerospace Applications” Moscow, IVTAN, 2000, p. 196-201.
14. Тищенко B.H., Грачев Т.Н., Гулидов А.И., Запрягаев В.И., Посух В.Г.
Плазменная струя и ударные волны, создаваемые оптическим разрядом, движущимся в газе со сверхзвуковой скоростью. Тезисы докладов Международная конференция “Атомные и молекулярные импульсные лазеры”. Томск, 10-14 сентября 2001г.
15.Тищенко В.Н., Грачев Г.Н., Гулидов А.И., Запрягаев В.И., Посух В.Г.
Моделирование ударных волн при большой частоте повторения лазерных искр. Квантовая электроника, 2001, т.31, в. 4, с.283-284.
16.Tischenko V.N., Grachev G.N., Gulidov A.I., Zapryagaev V.I., Posukh V.G. Simulation of shock waves and sound of a moving laser source. Proceedings of the 3 Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications». Moscow,
* IVTAN, 2001,p.l88-191.
17. Тищенко B.H., Грачев Г’.Н., Запрягаев В.И., Смирнов A.JI, Соболев А.В. Спектр ударных волн, создаваемых оптическим разрядом при высокой частоте повторения лазерного излучения. Квантовая электроника 2002, т.32, в. 4, с.329
18.Tischenko V.N., Grachev G.N., Zapryagaev V.I., Smirnov A.L., Sobolev A.V. Periodic Shock Waves Generated by an Optical Pulsating Discharge. The XIV International Symposium on Gas Flow& Chemical Lasers and High Power Laser Conference. 26-30 August, 2002, Wroclaw, Poland. Conference Digest, p2.34.
* 19.Tischenko V.N., Grachev G.N., Zapryagaev V.I., Smirnov A.L., Sobolev A.V. A
Plasma Jet and Shock Waves Initiated by an Optical Pulsating Discharge. The Experiment. The 4 Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications». Moscow, IVTAN, 2002.
20. Тищенко B.H., Грачев Г.Н., Запрягаев В.И., Смирнов А.Л., Соболев А.В. Лазерная генерация инфразвука точечным источником. Эксперимент. Динамика сплошной среды, в. 121. Акустика неоднородных сред. Новосибирск, 2002, с. 148
• -152.
18
• 21. Тищенко В.Н., Гулидов А.И. Преобразование лазерного излучения в
низкочастотную волну сжатия, движущуюся в направлении распространения оптического пульсирующего разряда. Динамика сплошной среды, в. 121. Акустика неоднородных сред. Новосибирск, 2002, с. 153 - 157.
22. Grachev G.N., Demin V.N., Ponomarenko A.G., Smirnov A.L., Tischenko V.N., Tretyakov P.K. A Powerful Optical Pulsating Discharge in a supersonic gas flow and its Applications. Int. Conference LAT-2002, Moscow, June 22-27,2002. p.259.
23.Тищенко B.PI. Генерация низкочастотной волны оптическим разрядом,
*
движущимся в газе с дозвуковой скоростью. Квантовая электроника, 2003, т.ЗЗ, № 9, с. 823-830.
24. Тищенко В.Н., Грачев Г.Н., Гулидов А.И., Запрягаев В.И., Смирнов A.JL, Соболев А.В. Взаимодействие периодического лазерного излучения с газом при большой частоте повторения импульсов. Тезисы докладов VI Международной Конференции. “Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул”. Томск ,15-19 сентября 2003 года, 64 -65
►
25. Tischenko V.N., Gulidov A.I. Transformation of Optical Discharge into a Low-frequency Quasi-stationary Wave Moving along the Beam. Proceedings of 5 “Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in Aerospace Applications”, Moscow, IVTAN, 2003, p.313-322.
26. Тищенко B.H., Аполлонов B.B., Грачев Г.Н., Гулидов А.И., Запрягаев В.И., Меньшиков Я.Г., Смирнов А.Л., Соболев А.В. Взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом: условия стабильной генерации и объедине-ния ударных волн. Квантовая электроника. 2004, т. 34, № 10, с. 941-947.
* 27. Аполлонов В.В., Тищенко В.Н. Механизм объединения ударных волн в
лазерном воздушно-реактивном двигателе. Квантовая электроника. 2004, т. 34, №12, с.1143-1146.
28. Tischenko V.N., Grachev G.N., Zapryagaev V.I., Gulidov A.I., Smirnov A.L., Sobolev A.V. Generation of Lov-Frequency Gas-Dynamic Disturbances by an Optical Pulsating Discharge. Proceedings XII International Conference on the Methods of Aerophysical Research. Part H. Novosibirsk, Russia, 28 June - 3 July, 2004, p.p. 178
• -182.
19
• 29. Apollonov V.V., Tishchenko V.N. Stable Generation and Merging of Shock Waves
for “Lightcraft” Applications: part.l. Proceedings of Third Int. Symposium on
Beamed Energy Propulsion, Troy, New-York, Oct. 11-14, 2004. AIP Conference
Proceedings — April 27, 2005 - Volume 766, Issue 1, pp. 205-215.
30. Apollonov V.V., Tishchenko V.N. Shock Wave Merging Mode For “Lightcraft” Application. Proceedings of Third Int. Symposium on Beamed Energy Propulsion, Troy, New-York, Oct. 11-14, 2004. AIP Conference Proceedings -- April 27, 2005 — Volume 766, Issue 1, pp.216 -229.
Ш
31. Apollonov V.V., Tishchenko V.N. Interaction of an Optical Pulsed Discharge with Gas: Mechanism of Shock Waves Merging. Proceedings of 15th International Conference on MHD Energy Conversion and 6th Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics for Aerospace Applications. May 24-27, 2005. Institute of High Temperatures RAS, Moscow, Russi, p.544-551.
32. Apollonov V.V., Kijko V.V., Kislov V.I., Tishchenko V.N.. Pulse-periodic lasers for Lightcraft applications. Int. Symposium. XV International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers. Proc. Prague, Chech Republic, 2004, SPIE Vol. 5777, p. 1011-1018
33. Тищенко B.H. Эффект Доплера для оптического разряда, источника ударных волн. Квантовая электроника, 2005, т. 35, № 11, с. 1015-1018.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 9 глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы. Она изложена на 307 страницах машинописного текста, включает 115 рисунков и список литературы из
* 271 наименований.
Аннотация диссертации Первая глава содержит обзор и анализ литературы по теме диссертации. Проведен анализ актуальных задач, основанных на идее ввода энергии лазерного излучения в сверхзвуковой поток газа V0 > 340 м/с. Из рассмотрения различных режимов оптических пробоев газа следовало, что в диапазоне скоростей - 100 -ш 2000 м/с отсутствует механизм переноса плазменного фронта навстречу лазерному
20
# излучению. Это делало невозможным использование непрерывного излучения. В известных режимах скорость менее ~ 100 м/с или более ~ 2 км/с. Квазинепрерывный ввод энергии лазерного излучения в газовый поток возможен с помощью ОПР при большой частоте оптических пробоев в фокусе, который перемещается относительно газа. Дано определение ОПР и его отличие от известных типов оптических разрядов. Приведен перечень актуальных задач из различных областей знаний и технологий, которые позволит решить ОПР и МОВ. Сформулированы цель работы и решаемые задачи.
*
Во второй главе на основе теоретического анализа процессов переноса плазменного фронта и экспериментов с лазерной искрой построена модель, применимая для расчета параметров лазерного излучения, оптимальных для создания ОПР большой мощности ~ 10 кВт и более.
Третья глава экспериментальная, она посвящена лабораторному моделированию и обоснованию нового типа разряда - лазерно-микроволнового (JIMP). ЛМР рассматривается как метод продвижения в область больших
ф
мощностей квазинепрерывного взаимодействия электромагнитного излучения с газом.
Четвертая и последующие главы посвящены исследованию нового типа взаимодействия лазерного излучения с газом - резонансному воздействию ОПР на окружающий газ. В основе метода открытый диссертантом механизм объединения ударных волн (МОВ). Важное место в работе занимает обоснование критериев МОВ и их универсальной природе. Исследуются свойства квазистационарной волны, создаваемой ОПР и МОВ. Рассматриваются новые эффекты, являющиеся ^ следствием МОВ. Исследования проведены с использованием компьютерного
моделирования и экспериментов, в которых проверялись основные положения теории. В заключительной 9 главе практическая значимость МОВ показана на примере использования ОПР и МОВ в лазерном воздушно-реактивном двигателе. Приведена модель расчета параметров лазерного излучения для преобразования лазерного излучения в инфразвук.
Список цитируемой литературы
1. Райзер Ю.П.. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: “Наука”, 1974, с.308.
2. Авраменко Р.Ф., Рухадзе A.A., Теселкин С.Ф. О структуре ударной волны в слабоионизованной неизотермической плазме. Письма в ЖЭТФ, 1981, тТ.34, вВ.9, сС.485.
3. Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Сверхзвуковое обтекание тел при наличии внешних источников тепловыделения. Письма ЖТФ, 1988, Т. 14, В. 8, С.684
4. Борзов В.Ю., Рыбка И.В., Юрьев A.C. Оценка энергозатрат при снижении лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке. Инженерно-физический журнал. 1992, Т. 63,1 6, С. 659.
5. Артемьев В.И., Бергельсон В.И., Немчинов И.В., Орлова Т.П., Смирнов В.А., Хазинс В.М.. Изменение режима сверхзвукового обтекания препятствия при возникновении перед ним тонкого разреженного канала. Механика жидкости и газа. 1989, № 5, с. 146.
6. Третьяков П.К., Грачев Г.Н., Иванченко А.И., Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н. Стабилизация оптического разряда в сверхзвуковом потоке аргона. ДАН РАН. 1994, т.336, № 4, с.466.
7. Третьяков П.К., Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н., Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического разряда. ДАН РАН, 1996, т.351, №.3, с.339.
8. Myrabo L.N., Raizer Yu.P. Laser-Induced air spike for advanced transatmospheric vehicles (AI A A Paper. № 94-2451, 1994).
9. Борзов В.Ю., Михайлов B.M., Рыбка И.В. и др. Экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания препятствия при энергоподводе в невозмущенный поток. Инженерно-физический журнал, 1994, т.66, №.5, с. 515.
10. Божков А.И., Бункин Ф.В., Коломенский Ал.А., Маляровский А.И., Михалевич В.Г. Лазерное возбуждение мощного звука в жидкости. Исследования по гидрофизике. Труды ФИАН, 1984, т. 156, с. 123.
11. Лямшев Л.М.. Лазеры в акустике. УФН, 1987, т. 151, вып. 3, с. 479.
12.Гейнц Ю.Э., Землянов A.A., Зуев В.Е., Кабанов A.M., Погодаев В.A.. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск. Издательство СО РАН, 1999, 259 с.
13. Аполлонов В.В., Кийко, Кислов В.И., Суздальцев А.Г., Егоров А.Б.. Высокочастотный импульсно-периодический режим излучения в мощных широкоапертурных лазерах. Квантовая электроника, 2003, т.ЗЗ, в.9, с.753.
14. Батанов Г.М., Бережецкая Н.К., Бровкин В.Г., Грицинин С.И., Коссый И.А., Смирнов А.Г., Ушаков O.A.. Газодинамические характеристики инициированного СВЧ-разряда. Сб. “Радиофизика, (научно-технический сборник”. АН СССР, Московский радиотехнический институт. Москва, 1991, с.53.
15. Ходатаев К.В. Гидродинамические процессы в плазме сверхмощного высокочастотного разряда. Химическая физика, 1993, Т. 12, № 3, С. 303.
Часть первая. Моделирование лазерно-микроволновою разряда.
Первая часть диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию метода квазинепрерывного импульсно-периодического ввода энергии в газ в лазерно-микроволновом разряде. Квазинепрерывность означает, что плазма не распадается за время паузы между импульсами и плазменная область непрерывно перемещается в пространстве. Использование лазерного и более мощного СВЧ излучения, генераторы которого имеют высокий КПД, открывает перспективу решения проблемы продвижения в диапазон больших мощностей воздействия на газ и практического применения механизма объединения волн.
Глава 1. Оптические разряды и их взаимодействие с потоком газа.
§1.1. Оптический пульсирующий разряд в актуальных задачах лазерной физики, газодинамики и акустики.
Создание в 1960 году лазера на рубине [1] и развитие лазерной техники привели к становлению новых направлений науки, в том числе оптических разрядов в газах. Лазерная искра [2 - 6] стала объектом тщательного изучения (см. например обзоры и книги [7 - 16]). Интенсивно развивались исследования процессов взаимодействия лазерного излучения и лазерной плазмы со сплошной средой, что было связано с различными приложениями [17-37].
Начиная с семидесятых годов прошлого века, рассматривались методы управления полетом сверхзвуковых тел, основанные на вводе лазерного излучения в набегающий поток. Однако в диапазоне ~ 0.1 - 2 км/с поглощение непрерывного излучения невозможно, так как отсутствуют режимы оптического пробоя с такой скорость движения плазменного фронта. Ограничение удалось преодолеть в 1992 году в совместном эксперименте ИЛФ и ИТПМ СО РАН. Осуществлен ввод энергии импульсно-периодического (И-П) лазерного излучения в сверхзвуковой поток газа, измерены пороги горения [38]. Разряд был назван оптическим пульсирующим (ОПР). При большой частоте повторения излучения Г ~ 40 кГц ОПР, горящий перед моделью тела, снижал аэродинамическое сопротивление,
наблюдались ударные волны и тепловой след [39]. Воздействие ОПР квазинепрерывно, так как Г много больше частот газодинамических процессов.
Средняя мощность используемого лазерного излучения была сравнительно невелика ~ 2 кВт. Тогда как для практического применения и решения ряда фундаментальных задач, необходим ОПР, имеющий мощность десятки кВт. Например, пороговая мощность для горения ОПР в воздухе, как показано в диссертации, более 5 кВт. При КПД мощных лазеров ~ 10 % источник питания должен иметь мощность сотни кВт. Отсюда очевидна актуальность исследований ОПР большой мощности и применения пучков электромагнитного излучения, генераторы которых имеют высокий КПД. При этом, так же как и в ОПР, поглощение энергии должно быть локализовано в заданной области пространства.
При большой частоте пульсаций, ОПР отличается от ранее известных типов оптических разрядов, имеет уникальные свойства. Диссертантом обнаружен механизм объединения ударных волн (МОВ) и основанные на нем эффекты. МОВ преобразует высокочастотные пульсации энергетического источника (ОПР, взрывы) в низкочастотные квазистационарные волны нового типа. Необходимое и достаточное условия действия МОВ имеют универсальную природу. Необходимое условие - протекание периодического процесса взрывного характера (лазерная искра - точечный взрыв) и существование характерной скорости распространения малых возмущений в среде. Например, скорости звука. Достаточное условие -“резонанс” источника пульсаций со свойствами среды и его длительное действие (десятки и более искр). В связи с этим ОПР и МОВ открывал перспективу использования мощных импульсно-периодических лазеров для решения фундаментальных и прикладных задач в ряде смежных с лазерной физикой областей - акустика, плазмохимия, аэродинамика, моделирование детонационных процессов нового типа применительно к актуальным задачам физика взрыва.
Широкая научная и практическая значимость ОПР и МОВ, а также актуальность исследований в этом направлении стала ясна лишь после обнаружения МОВ и ряда эффектов на нем основанных. Кратко изложим содержание разработанного в диссертации резонансного метода взаимодействия ОПР, а значит и лазерного излучения с газом. Можно выделить следующие типы
воздействия: локальное в зоне поглощения излучения и нелокальное - на значительном удалении от ОПР. Локальному квазинепрерывному по пространству и во времени воздействию излучения на газ соответствуют частоты повторения импульсов такие, что лазерные искры в движущемся ОПР не распадаются полностью за время паузы между импульсами. В результате формируется неразрывный след ионизованного газа. Как показано в диссертации характерное время восстановления газа составляет Т1 ~ 1 мс. Нелокальное, квазинепрерывное воздействие основано на действии МОВ - в окружающем ОПР газе формируется стационарная область повышенного давления большой длины.
Ниже приведен перечень актуальных задач и проблем с указанием трудностей, которые можно решить основываясь на свойствах ОПР или МОВ. Отмечены также направления исследований, близкие к теме диссертации.
- Проблема оптического плазмотрона [18 - 26] - непрерывный оптический разряд (НОР) горит при скоростях газа до десятков метров в секунду. ОПР может быть неподвижным или перемещается с большой, в том числе сверхзвуковой скоростью.
- Лазерное управление молнией и длинными разрядными промежутками [27, 28]. Трудность в том, что невозможно создать неразрывную лазерную искру большой длины. Искра состоит из отдельных плазменных очагов [29, 30]. При большой скорости У0 движения ОПР создает неразрывный канал, длина которого ~ Уо-Т^
- В известных режимах распространения оптических пробоев отсутствуют механизмы переноса плазменного фронта в газе со скоростью ~ 100 - 2000 м/с, что ограничивает применение лазерного излучения в очень важном для практических задач диапазоне скоростей. ОПР решает эту проблему.
- Управление полетом тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью, с использованием ОПР. Задача имеет приоритетное значение в ведущих аэрокосмических фирмах [31 - 40], этой тематике посвящены ежегодные международные конференции [40].
- Термооптическая генерация звука в жидкости [16, 41 - 44]. Отношение мощности звука к мощности лазерного излучения меньше 1 %. МОВ не рассматривался.
- Генерация звука при взаимодействии лазерного излучения с аэрозолем изучалась в задачах транспортировки мощных пучков в атмосфере (см. например [13, 45 -
47]). Акустические волны использовались для диагностики структуры пучка и атмосферы. МОВ не наблюдался.
- В традиционных методах генерации низкочастотного звука (инфразвука) излучатели имеют большие размеры, сравнимые с длиной звуковой волны. В противном случае, например при амплитудной модуляции, доля мощности на частоте модуляции (Р) очень мала и равна 5т ~ Р/Г (Г - несущая частота). При амплитудной модуляции и действии МОВ - 5т ~ Р и может достигать - 1. ОПР имеет точечные размеры, он может быть неподвижным или перемещаться с большой скоростью. У ОПР рекордные КПД и средняя мощность УВ, излучаемых с единицы его объема.
- Ударные волны (УВ) большой длины, создаваемые сосредоточенным взрывом. Необходима большая мощность заряда, так как длина фазы сжатия УВ слабо зависит от энергии [49]. Альтернативный подход связан с использованием пространственно распределенного заряда, например, детонационного шнура [194, 195]. МОВ при последовательной детонации зарядов создает протяженную волну, движущуюся в выделенном направлении.
- ОПР стабилизирует горение газообразных топлив [85, 86], представляет интерес для создания плазмохимических технологий функциональных материалов [87].
- Лазерный воздушно-реактивный двигатель [72]. МОВ позволяет существенно повысить эффективность использования лазерного излучения при создании силы тяги и сиять ряд принципиальных трудностей [189, 206].
Исследование ОПР и МОВ актуально и своевременно в связи с созданием лазеров большой мощности с высокой частотой повторения импульсов ~ 100 кГц [164].
§ 1.2. Режимы оптических пробоев газа и проблема ввода энергии в газ.
Отметим трудности физического характера, которые ограничивали непрерывный ввод энергии лазерного излучения в скоростной поток газа. Уже первые опыты по созданию длинной лазерной искры показали, что сплошной плазменный канал не формируется [50, 51]. Искра состоит из отдельных плазменных образований, имеющих длину до несколько сантиметров. Расстояние между ними возрастает по мере увеличения фокусного расстояния линзы. В
экспериментах по управлению молнией [52, 53], проводимых в Японии, удалось получить сплошную искру длиной ~ 2 метра. Использовался двухканальный С02-лазер с энергией излучения ~ 1 кДж в каждом канале, длительность импульсов 50 не. Для создания длинных, неразрывных искр представляет интерес фокусировка излучения с использованием бегущего фокуса (см. библиографию в [54]) или с помощью конических линз (аксикон) [55], фокусирующих излучение в отрезок линии. Однако и в этих экспериментах длина сплошной искры не превышала - 1 м.
Ввод лазерного излучения в газовый поток возможен с использованием оптического плазмотрона, предложенного Райзером Ю.П. [18]. Однако неустойчивость НОР 01раничивает скорость газа на уровне нескольких десятков метров в секунду [18 - 26]. НОР формируется вблизи фокуса лазерного луча на заключительной стадии распространения лазерной искры в режиме медленного горения. Предельная скорость потока ограничена скоростью теплопроводностного механизма переноса плазменного фронта в режиме медленного горения, где температура плазмы - 2 эВ. Тепловая волна может переносить энергию со сверхзвуковой скоростью лишь при очень высоких температурах и малых размерах искры [8]. Другие известные механизмы распространения оптических разрядов в свободном газовом пространстве имеют скорость более ~ 2 км/с. Скорость распространение разряда, пороговая интенсивность и механизм в условиях близких одномерным, как, например, в работах [56, 57], могут отличаться от наблюдаемых в свободном газовом пространстве.
Известно несколько механизмов переноса плазменного фронта навстречу лучу: теплопроводностный (режим медленного горения), радиационный,
детонационный (светодетонационная волна - СДВ), пробой (волна пробоя), неравновесный нагрев (быстрая волна ионизации). Все режимы, кроме первого, имеют сверхзвуковую скорость распространения волны в невозмущенном газе. Метод определения возможного режима предложен в работе [58, 59]. Реализуется тот режим, при котором скорость переноса плазменного фронта максимальна.
Лазерная плазма в режиме медленного горения [60]. Данному явлению, посвящены обзоры [8, 10, 11, 15]. Скорость движения плазменного фронта дозвуковая, ее можно определить из формулы [11]:
28
ущ «%.
/
(1.1)
V / °р
/
Где а, х> Ср - коэффициент поглощения излучения в лазерной плазме, ее температуропроводность и теплоемкость, Р0 - давление невозмущенного газа, I -интенсивность излучения. В [11] энергия лазерного импульса составляла несколько килоджоулей, длительность несколько миллисекунд, длина волны X - 1.06 мкм. Интенсивность излучения варьировалась до I ~ 10 МВт/см2 и была меньше порога оптического пробоя газов. Горение инициировалось лазерной искрой дополнительного лазера. Из [11] следует, что скорость движения плазменного фронта может достигать значений V ~ 40 м/с, а длина искры ~ 30 см. При малых значениях I ~ 0.5 - 10 МВт/см2 сверхзвуковое движение фронта V > С0 (в воздухе С0 ~ 340 м/с) возможно при одномерном распространении разряда в узкой трубе [57] или на начальной стадии разлета лазерной плазмы от поверхности мишени [56], когда радиальное расширение плазмы мало.
Режим светодетонационной волны (СДВ) [5, 6]. Перенос плазменного фронта осуществляется ударной волной, движущейся навстречу лазерному излучению. При типичных скоростях СДВ V ~ 10 км/с УВ нагревает и ионизует газ. Лазерное излучение поглощается в тонком слое за фронтом УВ. Исходная плазма образуется при пробое вблизи поверхности или в фокусе линзы. Порог образования СДВ в луче ССЬ-лазера при инициировании СДВ с поверхности твердого тела равен ~ 10 - 100 МВт/см2 [61, 62] (А=10.6 мкм). В свободном пространстве порог сильно зависит от сорта и давления газа, длины волны излучения, наличия частиц аэрозолей в газе [8-13]. Скорость СДВ равна [8]:
где I интенсивность лазерного излучения, р0- плотность газа, у - показатель адиабаты. В диапазоне кТ « 1 - 5 эВ у « 1.18, при кТ<0.1 - у » 1.4. Для оценок скорости СДВ в воздухе при температуре ~ 300 К0 можно использовать выражение
/ \
(1.2)