Регистрация / Вход
Прислать материал

Магнито-плазменная аэродинамика в космических двигателях малой тяги и системах управления движением газа плазменными методами

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Продолжительность работ
2009 - 2010, 13 мес.
Бюджетные средства
2,4 млн
Внебюджетные средства
0 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
20.07.2009 - 01.12.2009
Проведена модернизация экспериментального стенда на уникальной вакуумно-атмосферной аэродинамической трубе (камере Эйфеля) с вакуумным объемом 200 м3. Собран и отлажен современный диагностический комплекс для измерения основных параметров - полей плотности, давления, температуры и векторов скорости - для образующихся структур в сверхзвуковом потоке газа под воздействием различных типов плазменных разрядов. Диагностическое оборудование позволяет осуществлять как теневой и шлирен-метод, так и интерференционный метод измерений. Комплекс оснащен скоростной CMOS-видеокамерой RedLake Motion Pro X3, позволяющей делать отдельные серии скоростной видеорегистрации. Для получения полей векторов скорости используется современное диагностическое оборудование Particle Image Velocimetry - LaVision PIV FlowMaster 3.
Создан программный комплекс на основе физической модели воздействия плазмы на газодинамический поток (плазменный актуатор). Плазменная модель основана на совместном решении гидродинамических и кинетических уравнений в электрических полях, при этом учтены основные процессы, ответственные за временное и пространственное изменения электрического заряда. Функция распределения электронов находится из решения уравнения Больцмана с учетом возбуждения колебательных и электронных уровней молекулы, прямой и ступенчатой ионизации, ионизации колебательно возбужденных уровней, фотоионизации и других процессов. Показано, что плазменный актуатор создает завихренность потока газа через формирование градиентов пространственного заряда и электрического поля. Проведено теоретическое обоснование вихреобразования под действием источника тепла. Предложено объяснение образования вихревой структуры как в гравитационном поле, так и в потоке. Установлено, что завихренность создается только в бароклинной жидкости, и есть следствие неколлинеарности градиента давления и градиента температуры. Разработан метод теоретического описания структуры и распространения ударных волн в микропористых жидкостях.
В дополнение к имеющимся компьютерным программам разработан вспомогательный код для описания воздействия плазмы на поток газа. Представлены результаты численного расчета векторного поля скоростей в результате тепловой конвекции. Выполнено численное моделирование влияния температурного поля на структуру течения газа в сверхзвуковом потоке с числом Маха M= 2. Проведено численное моделирование влияния нагретой пластины на структуру течения в трехмерном случае. Показано, что максимальная завихренность образуется на краях нагретой пластины, отвечающей области с наибольшим градиентом температуры. При конвективном вихреобразовании образуется два вихря с противоположной циркуляцией, результат такого поведения есть следствие возникновения вихрей и их взаимодействие с потоком.
Примененные решения при создании комплекса основаны на уникальной установке и оборудовании мирового класса, они превышают мировой уровень в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению. Полученные результаты соответствуют требованиям Технического задания и Календарного плана. На первом этапе собран, отлажен и использован дорогостоящий диагностический экспериментальный комплекс, позволяющий различные сравнительные методы измерения параметров, а также наглядную визуализацию исследуемых физических процессов. Численные расчеты были выполнены с использованием современных лицензионных компьютерных пакетов - Gas Dynamics Tool, Computer Fluid Dynamics, Chemical Workbench. Разработанный собственный компьютерный код сравнивался в процессе отладки с известными достоверными расчетами. Выбор управляющих параметров теории и проводимых численных расчетов осуществляется таким образом, чтобы проводить непосредственное сравнение с результатами экспериментов. В частности, совместно экспериментально и теоретически изучается плазменный актуатор заданной геометрии для сверхзвукового газодинамического потока с заданным числом Маха. Таким способом получено экспериментальное подтверждение последовательной теории теплового и плазменного управления газодинамическим потоком.
Области применения полученных результатов в которых могут использоваться полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция включают разработку плазменного управления полетом летательными аппаратами и газовыми турбинами. На основе работ, выполненных в России, в том числе и Центром Келдыша, в Послании Президента Федеральному собранию названа одна из приоритетных задач – создания ядерного ракетного двигателя, «способного летать даже на другие планеты». Устройства и методы плазменной аэродинамики для управления обтекающими потоками газа. Разработанные технологии могут применяться в космических двигателях малой тяги с большим ресурсом.
Ход практического внедрения полученных результатов. Полученные результаты явились основой для проекта EOARD по плазменной аэродинамике. Результаты НИР включены в образовательный процесс в курсах лекций, лабораторном практикуме и по курсам «Введение в механику сплошных сред» и «Физическая механика» на факультете Аэрофизики и космических исследований Московского физико-технического института.
Выводы
1. Разработана методика измерения параметров плазмы в аэродинамических потоках в камере Эйфеля и вакуумной камере.
2. Разработана методика численного моделирования течения газа и плазмы в плазменных устройствах в двумерных гидродинамических течениях.
3. Изготовлены экспериментальные образцы аэродинамических тел с плазменным воздействием.
4. Создан испытательный стенд – камеры Эйфеля и вакуумная камера для испытаний аэродинамических тел и плазменных двигателей.
5. Проведены патентные исследований по ионным и холловским двигателям.
6. Разработаны PIV-методы визуализации течений плазмы.
7. Проведены исследования по движению плазмы в двигателях малой тяги.
8. Испытаны образцы аэродинамических профилей NACA015 с плазменным управлением движения.
9. Проведен научный семинар по ионным и холловским двигателям.

Поставленные задачи первого этапа проекта следует считать полностью выполненными. Согласованно полученные экспериментальные и теоретические результаты по плазменной аэродинамике используются в рамках международного европейского сотрудничества. Научно-технического уровень выполнения проекта соответствует лучшим достижениям в области плазменной аэродинамики и плазменно-дисперсных технологий.
По результатам проведенных исследований проведены выступления на научных конференциях в России (Национальный комитет по тепломассобмену, Новосибирская школа молодых ученых по теплофизике, Международная конференция по микрогравитации, Российская конференция по механике в ИПРИМ РАН, Роснанофорум) и за рубежом (AIAA-2009, Орландо, США, Turbulent mixing and beyond. Treste, 2009 и др.) а также опубликованы 2 научные статьи в журналах, принимаемых ВАК к защитам диссертаций:
1. Аксенов В.С., Голуб В.В., Губин С.А., Савельев А.С., Сеченов В.А., Э.Е. Сон Э.Е. Сверхзвуковое обтекание воздухом профиля крыла при инициировании скользящего разряда на его поверхности, ТВТ №7, 2009.
2. Сон Э.Е., Терешонок Д.В. Управление cверхзвуковым потоком газа тепловыми вихрями, ТВТ №7, 2009.
Материалы исследований вошли в диссертацию на соискание степени кандидата физико-математических наук Абашкина Владимира Викторовича «Экспериментальное исследование взаимодействия плазмы с керамиками» специальность: 01.04.08 - физика плазмы, защищенную 21 октября 2009 г. На диссертационном совете Д 212.156.08 в Московском физико-техническом институте.
Развернуть
2
01.01.2010 - 31.03.2010
1. Разработана методика измерения профилей течения газа в пограничном слое в сверхзвуковой аэродинамической тубе с числом Маха М=2.
2. Созданы программы численного моделирования течения газа и плазмы в плазменных устройствах в двумерной постановке.
3. Проведены исследования по геликоновому разряду для создания ракетного двигателя с удельным импульсом 2000 с.
4. Проведены систематические экспериментальные исследования по аэродинамике тел с плазменным воздействием в виде разрядов на поверхности тела.
5. Испытаны образцы аэродинамических тел (NACA012) в потоке газа с плазменным воздействием.
6. Проведены патентные исследования по плазменной аэродинамике.
7. Разработаны научно-методические материалы для лабораторной работы по плазменной аэродинамике.
8. Подготовлены научно-методические материалы для разработки учебного пособия по плазменному управлению полетом.

Разработана методика измерения профилей течения газа в пограничном слое в сверхзвуковой аэродинамической трубе с пространственным разрешением не менее 20 мкм и скоростями воздушного потока от нескольких метров в секунду до чисел Маха 2. Проведен анализ влияния основных факторов на точность измерения величины скорости с помощью метода PIV в масштабе длин около десятков микрометров. Показано, что основной проблемой в измерении является обеспечения достаточной плотности частиц в области измерений, а также равномерность запыления флюида частицами-трассерами. Разработана программа численного моделирования течения газа и плазмы в плазменных устройствах в двумерной постановке. Получено удовлетворительное совпадение теории с экспериментом для коэффициента ионизации и дрейфовой скорости электронов. Проведено сравнение коэффициентов ионизации, диффузии и температуры электронов при разных частотах. Пересчитаны соответствующие коэффициенты плазмохимических реакций, используемые для расчета кинетики ВЧ разряда. Продемонстрирована возможность образование завихренности в невозмущенном потоке газа под действием градиента объемного заряда. Проведены исследования по геликоновому разряду для создания ракетного двигателя с удельным импульсом 2000 с, проведена визуализация и измерение характеристик пристеночного течения воздуха, возникающего при инициирования ДБР, в стационарных и нестационарных случаях; проведено сравнение двух оптических методов визуализации – шлирен и PIV. При этом было показано, что оба метода дают близкие по величине значения скорости в потоке лишь на периферии течения, когда вблизи внешнего электрода шлирен-метод применять нельзя. Получено, что амплитуда переменного высокого напряжения, питающего разрядник, сильно влияет на нагрев газа, но на структуру пристеночного течения практически не влияет. С помощью PIV получено распределение скорости в струе, возникающей на поверхности актуатора вблизи места инициирования разряда. Удалось получить асимметричный DB разряд в сверхзвуковом потоке воздуха с числом Маха M = 2 при статическом давлении в струе pст = 0.15 атм. Установлено влияние статического давления на форму и режим (филаментный или однородный). Получено, что скоростной поток воздуха существенно влияет на ширину и толщину плазменного листа. Влияние ДБР на картину течения вокруг аэродинамического тела при энерговкладе около 100 Вт не обнаружено. Сверхзвуковой поток воздуха влияет на форму разрядной плазмы, о чем свидетельствуют полученные фотографии. В центре сверхзвуковой струи, где скорость потока больше, ширина светящегося канала в несколько раз меньше, чем на периферии, где скорость потока является дозвуковой. Проведены систематические экспериментальные исследования по аэродинамике тел с плазменным воздействием в виде разрядов на поверхности тела. Проведены испытания образцов аэродинамических тел (NACA012) в потоке газа с плазменным воздействием. Проведено оснащение сверхзвуковой атмосферно-вакуумной аэродинамической трубы (камера Эйфеля) современными комплексами визуализации и диагностики потока. Проведено исследование параметров сверхзвукового течения в камере, получены оптимальные параметры для исследований. Проведены патентные исследования по плазменной аэродинамике. Разработаны научно-методические материалы для лабораторной работы по плазменной аэродинамике. Подготовлены научно-методические материалы для учебного пособия по плазменному управлению полетом. Материалы исследований вошли в диссертацию на соскание степени доктора физико-математических наук Ризаханова Р.Н. «Транспортировка заряженной плазмы в малогабаритных электронно-лучевых генераторах для вневакуумных приложений» по специальности 01.04.08 - физика плазмы, успешная защита которой состоялась 17 марта 2010 г. на диссертационном совете Д212.156.08.
Таким образом, поставленные задачи второго этапа проекта следует считать полностью выполненными. Согласованно полученные экспериментальные и теоретические результаты по плазменной аэродинамике используются в рамках международного европейского сотрудничества. Научно-технического уровень выполнения проекта соответствует лучшим достижениям в области плазменной аэродинамики и плазменно-дисперсных технологий.
Результаты работы доложены на: 49 Международной конференции «49th AIAA Aerospace Sciences Meeting» 4-7 января 2010г., Орландо, шт.Флорида, США; 37 Международной конференции по физике плазмы и УТС 8-12 февраля 2010г., г.Звенигород, Россия; Международной конференции германского физического общества «DPG Spring Conference», 8-12 марта 2010г., г.Ганновер, Германия. Опубликована статья в журнале «Теплофизика высоких температур»: В.С. Аксенов, В.В. Голуб, Губин С.А., А.С. Савельев, В.А. Сеченов, Э.Е. Сон Сверхзвуковое обтекание воздухом профиля крыла при инициировании скользящего разряда на его поверхности, // Теплофизика высоких температур. М.: "Наука", 2010. – Т. 48, №2, с. 324.
Развернуть
3
01.04.2010 - 15.08.2010
3.1 Анализ экспериментальных результатов и расчетно-теоретических работ и их корректировка для трехмерной картины течения плазмы в аэродинамических потоках в камере Эйфеля и вакуумной камере.
3.2 Разработка методики численного моделирования течения газа и плазмы в плазменных устройствах в двумерных
гидродинамических течениях.
3.3 Проведение исследований по плазменнной аэоодинамике.
3.4 Изготовление экспериментальных образцов аэродинамических тел с плазменным воздействием в виде
разрядов на поверхности тела.
3.5 Испытания образцов аэродинамических тел (NACA 012)
в потоке газа с плазменным воздействием.
3.6 Создание испытательного стенда — камеры Эйфеля и вакуумной камеры для испытаний аэродинамических тел и
плазменных двигателей.
3.7 Проведение патентных исследований по ионным и холловским двигателям и плазменной аэродинамике.
3.8 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
3.9 Проведение научных семинаров по плазменной аэродинамике.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей
Продолжительность работ
2012 - 2013, 13 мес.
Бюджетные средства
1,18 млн
Организация
ОИВТ РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2010 - 2011, 15 мес.
Бюджетные средства
0,79 млн
профинансировано
Тема
Разработка, изготовление и исследование рабочих процессов и интегральных характеристик перспективных моделей стационарных плазменных двигателей на установке: "Стенд для изучения физических процессов в стационарных плазменных двигателях и плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов с протяженной зоной ускорения (У-2В) (рег. № 06-44)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка научно-технических решений по повышению автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы на основе перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением космических аппаратов
Продолжительность работ
2014 - 2016, 27 мес.
Бюджетные средства
58,5 млн
Количество заявок
3
Тема
Разработка физических принципов управления размерами наноструктуры при выращивании покрытий многомикронной толщины из ускоренных плазменных потоков в вакууме.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
НК-442П Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлениям: «Многофункциональное приборостроение для промышленных систем управления», «Приборостроение, основанное на новых физических принципах», «Авиационное двигателестроение», «Авиационные материалы», «Станкостроение», «Космические системы», «Конструирование летательных аппаратов», «Спецметаллургия», «Микроэлектроника», «Судостроение», «Ракетостроение», «Установки и технологии на основе мощного импульсного нейтронного и гамма излучений», «Ядерно-энергетические установки нового поколения», «Лазерные, плазменные и пучковые технологии для атомной техники» в рамках мероприятия 1.3.1 Программы
Продолжительность работ
2009 - 2011, 25 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
7
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Тема
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Количество заявок
1