18.01.2013

Новые тайны ударной волны

Возникшая несколько лет назад плазменная аэродинамика (термин был предложен российскими учёными) изучает взаимодействие плазмы с дозвуковым или сверхзвуковым потоком газа. Один из главных вопросов, более всего интересующий сейчас исследователей, — это ударная волна в неравновесной газоплазменной среде. Она является поверхностью разрыва, движущейся относительно газа. При её пересечении давление, плотность и температура среды испытывают резкий скачок, при этом меняется и её собственная скорость.

Ещё сложнее исследование ударной волны в намагниченной плазме, ведь при прохождении её фронта наблюдается скачкообразное изменение характеристик магнитного поля. Хотя законы, по которым происходят подобные резкие трансформации, для обычных (равновесных) сред известны, с неравновесными пока такой ясности нет.

Напомним: важнейшей прикладной задачей таких исследований является создание «плазменной оболочки» самолёта — слоя искусственно генерируемой на крыле плазмы, управляемой магнитным полем и снижающей аэродинамическое сопротивление при одновременном уменьшении вероятности срыва потока с крыла. По предварительным оценкам, такая оболочка позволит снизить расход топлива на крейсерских режимах на 40–50%.

Пока подобные работы ведутся чисто экспериментально, что напоминает попытки собрать космический корабль наугад, с завязанными глазами и без чертежа. Если эксперименты и дают какой-то эффект, то выходят слишком дорогими, чтобы оправдать его. Словом, несмотря на серьёзные усилия как за рубежом, так и у нас, за два последних десятилетия попытки создать нечто подобное с приемлемыми характеристиками не имели успеха. Очевидно, нужны более глубокие теоретические разработки. И тут есть что предложить группе под руководством профессора Нонны Молевич, заведующей теоретическим сектором Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (СФ ФИАН).

Созданная российскими физиками модель акустически активного неравновесного газа качественно объясняет возможные причины ускорения ударной волны, уширения переходной области за фронтом, расщепления волны и образования ударно-волновых импульсов. Эта модель, по словам Н. Е. Молевич, удовлетворительно описала и обнаруженное ранее при других режимах газоплазменных экспериментов усиление ударных и акустических волн. «Мы впервые показали, — поясняет учёный, — что в неравновесной среде структура ударной волны действительно может сильно отличаться от равновесной. Получены стационарные волны четырёх типов: ударные волны с возрастанием плотности и давления за разрывом; волны с убыванием этих величин; в форме автоволнового импульса; в форме автоволны детонационного типа с ненулевой асимптотой. Для всех этих моделей неравновесной тепловыделяющей среды эволюция волн малой амплитуды может быть описана единым нелинейным уравнением».

Ранее бытовало мнение, что динамику ударной волны можно описать, разделив её спектр на высоко- и низкочастотную области. Модель, предложенная группой г-жи Молевич, имеет дело со всем частотным спектром возмущения, что позволяет более адекватно охарактеризовать поведение волны в различные моменты времени.

Физики до сих пор не знали, чем завершается акустическая неустойчивость среды, ибо её нелинейная структура объяснялась на основе или низкочастотных, или высокочастотных моделей; при этом априорно постулировалась невозможность целостного анализа сразу для всех частот. Группе СФ ФИАН удалось показать, что этот подход неверен. Как отмечают самарцы, стационарная структура волн формируется в результате нелинейной передачи энергии от неустойчивых низких частот к устойчивым высоким и сама по себе имеет широкий спектр. Именно поэтому правильно описать её удалось только тогда, когда было получено обобщённое акустическое уравнение и для низких, и для высоких частот.

Кроме того, физики впервые показали, что в зависимости от степени неравновесности среды существует критическая скорость ударных волн. Они могут распространяться только со скоростями, превышающими это критическое значение. Исследования ударных волн с начальной скоростью, меньшей, чем критическая, методами численного моделирования выявили, что они в конце концов ускоряются и распадаются на последовательность автоимпульсов, или автоволн, с ненулевой асимптотой детонационного типа. Позднее эти выводы были подтверждены экспериментами. Параметры этих самоподдерживающихся структур полностью определяются свойствами самой неравновесной среды.

Наконец, был определён один из возможных механизмов воздействия дисперсионно-вязкостных свойств неравновесной газовой среды на структуру ударной волны. Акустические свойства такой среды приводят к качественным и количественным изменениям структуры ударных волн. Показано, что подобные структуры могут образовываться при разных типах неравновесности и моделях релаксации, причём не только в технических приложениях, но и в природных средах. В последних они могут проявляться даже ярче из-за своих больших размеров и, следовательно, большей пригодности для формирования стационарных режимов. Примером такого рода может служить модель межзвёздного газа.

Предложенная Нонной Молевич и её коллегами модель преобразования ударной волны позволила подтвердить гипотезу Константина Краснобаева из Института космических исследований РАН о наблюдаемой волокнистой структуре межзвёздного газа, по которой структура ударных волн в межзвёздном газе может быть связана с акустической неустойчивостью тепловыделяющей среды. Численное моделирование, предпринятое в СФ ФИАНа на основе современной модели межзвёздной среды, показало возможность самопроизвольного распада ударной волны на систему отдельных автоволн, образующих волокна.

«Для развития идеи "плазменной оболочки", да и плазменной аэродинамики в целом нужно детально разобраться в механизмах, приводящих к трансформациям структуры ударной волны в неравновесной газоплазменной и химически активных средах, классифицировать эти модификации, — заключает Н. Е. Молевич. — Именно поэтому в экспериментах исследуется поведение ударных волн в простых модельных условиях при зажигании разрядов разного типа. Физики уже наблюдали такие эффекты, как усиление и ускорение ударных волн, изменение структуры фронта и его расщепление, генерация предвестника в виде импульса перед фронтом ударной волны. Но теоретического обоснования у этих явлений пока нет. А значит, учёные действуют «вслепую». Мы надеемся, что наши работы позволят изменить ситуацию».

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА