МГД-модели физических процессов в плазменных ускорителях

Объект исследования и актуальность темы. Диссертация посвящена развитию моделей магнитной газодинамики и исследованиям неравновесных процессов на фронте ионизации, высокоскоростных трансзвуковых потоков низкотемпературной плазмы, компрессионных течений плазмы и динамики ионов примесей в коаксиальных плазменных ускорителях (КПУ), магнитоплазменных компрессорах (МПК) и квазистационарных сильноточных плазменных ускорителях (КСПУ), предложенных А. И. Морозовым [1−14]. Представлены также разработанные автором теоретический подход в изучении процессов на фронте ионизации и новое направление исследований динамики потоков плазмы в КСПУ при наличии продольного магнитного поля.

В настоящее время исследования, связанные с плазмой, позволяют не только прийти к более глубокому пониманию природных явлений, но и находят все более широкое применение в различных сферах человеческой деятельности. В будущем многие проблемы цивилизации найдут свое решение именно в области исследований четвертого состояния материи.

Менее чем за сто лет, начиная с исследований И. Лэнгмюра и JI. Тонкса, которые в 1929 году ввели понятие плазмы, работ Л. Д. Ландау и A.A. Власова в 30-е годы, монографии основоположника магнитной газодинамики X. Альфвена [15], произошло становление области науки, охватывающей широкий круг экспериментальных, теоретических и численных исследований плазменного состояния вещества. Наиболее существенный прогресс в исследованиях плазмы наблюдался на протяжении последних 50 лет. Речь идет не только о разработках новых источников энергии, в частности, на основе управляемого термоядерного синтеза (УТС) и новых способов движения с помощью плазменных двигателей. Значительный прогресс достигнут в реализации различных плазменных технологий и бытовых приложений, а также в астрофизических исследованиях, включая процессы в магнитосфере Земли и на Солнце. Мировая научная литература представлена целым рядом монографий и сборников, относящихся к исследованиям в области физики плазмы, физической кинетики, магнитной газодинамики, как области механики сплошных сред, и моделированию разнообразных плазменных процессов (см., например, [1,10−59]). «Энциклопедия низкотемпературной плазмы» под редакцией В. Е. Фортова [59] содержит на данный момент наиболее полную и разностороннюю информацию о плазменном состоянии вещества. В данном издании отражены также предшествующие исследования процессов в КСПУ.

Простейший коаксиальный плазменный ускоритель (см., например, [12,12−14,60]) схематично состоит из двух коаксиальных электродов (см. рис. 1), подсоединенных к соответствующей электрической цепи. На вход системы непрерывно подается газ, который ионизуется в межэлектродном промежутке. Между электродами в плазме протекает ток имеющий преимущественно радиальное направление. В свою очередь электрический ток, протекающий в осевом направление по внутреннему электроду, порождает азимутальное магнитное поле Нф. За счет силы Ампера —, Н] плазма ускоряется вдоль оси у с системы. Геометрия канала ускорителя, определяемая, в том числе, с помощью двумерных аналитических моделей, представляет собой сопло. Аналогично газодинамическому соплу в канале плазменного ускорителя при правильной организации процесса реализуется трансзвуковое течение так, что в средней наиболее узкой части канала происходит переход скорости потока через скорость быстрой магнитозвуковой волны. Г.

Рис. 1. Механизм ускорения плазмы в КПУ с азимутальным магнитным полем.

Магнитоплазменные компрессоры (см., например, [1,3−4,12−14,61−62]) отличаются от коаксиальных плазменных ускорителей в основном геометрией электродов, обеспечивающих целенаправленное схождение плазменного потока на ось системы и формирование области компрессии на выходе из ускорителя.

Несколько малых коаксиальных плазменных ускорителей могут быть использованы в качестве первой ступени большой ускорительной системы КСПУ (см., например, [1,5−9,13,63−70]). В первой ступени осуществляется ионизация и предварительное ускорение плазмы. Вторая ступень представляет собой большой коаксиальный плазменный ускоритель, подсоединенный к независимой электрической цепи (см. рис. 2). Двухступенчатая схема КСПУ предполагает непрерывную подачу плазмы на входе второй ступени или основного канала ускорителя. В экспериментальных исследованиях КСПУ и МПК (см., например, [1,7−9,61−79]) отмечалась высокая степень устойчивости и азимутальной симметризации потоков низкотемпературной плазмы. Во всех системах температура не превышает 10 эВ за исключением зоны компрессии.

ВПК АИК ТК ТА.

Рис. 2. Двухступенчатая схема КСПУ: I — первая ступень, ВИК и АИКвходные и анодные ионизационные камеры, ДрК — дрейфовый канал, II — вторая ступень, ТА — анодный трансформер, ТК — катодный трансформер

В конце 80-х, начале 90-х годов в рамках общесоюзной государственной программы в нескольких научных центрах под руководством академика А. П. Александрова и профессора А. И. Морозова были созданы высокотехнологичные экспериментальные базы и разработаны КСПУ различных модификаций. В настоящее время, несмотря на скромное финансирование науки, исследования КСПУ и их приложений продолжаются в ФГУП ГНЦ РФ Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ, г. Троицк), Институте Физики Плазмы ННЦ ХФТИ HAH (Харьков, Украина) и Институте молекулярной и атомной физики HAH (Минск, Беларусь). На рис. 3 представлен внешний вид экспериментальных стендов в ХФТИ и ТРИНИТИ на момент их создания.

Рис. За. Экспериментальный стенд Рис. 36. Внешний вид вакуумной в ТРИНИТИ камеры в ХФТИ. Длина -10м.

Новое направление исследований КСПУ связано с введением в систему дополнительного продольного магнитного поля, которое позволяет сформировать своеобразный дополнительный канал для управления динамическими процессами, предотвращения приэлектродных нерегулярностей в плазменных ускорителях и других устройствах, принцип действия которых основан на использовании азимутальной компоненты магнитного поля. Наличие продольного магнитного поля в коаксиальных плазменных ускорителях, с одной стороны, усложняет течение, в частности, приводит к вращению плазмы вокруг оси, с другой — позволяет исследовать динамику потоков во всем многообразии процессов. При этом предшествующие исследования потоков плазмы с азимутальным магнитным полем следует рассматривать как частный случай в отсутствии вращения. В практическом плане введение в систему продольного поля предусматривает разработку модифицированных плазменных ускорителей (см., например, [74], рис. 4) катушки.

Рис. 4. Схема плазменного ускорителя с дополнительным продольным магнитным полем. дополнительно к существующим КСПУ со сложной и громоздкой системой анодных трансформеров (см., например, [7,63]), эффективность работы которых до настоящего времени не получила должного подтверждения. На рис. 5а представлен внешний вид КСПУ с продольным магнитным полем.

Рис. 5а. Внешний вид КСПУ Рис. 56. Поток плазмы с продольным магнитным полем из ускорителя.

Создание эффективных квазистационарных сильноточных плазменных ускорителей и магнитоплазменных компрессоров, способных генерировать потоки относительно плотной плазмы с высоким энергосодержанием (см., например, [1,5−9,12−14,60−79]), является одной из актуальных задач науки и техники. Исследование высокоскоростных потоков («да 1014 -МО1» см V да 106 -ь 108 см/с) представляет интерес для решения задач инжекции в термоядерные установки, реализации новых технологий, включая взаимодействие плазмы с различными материалами, а также с целью разработки перспективных электрореактивных плазменных двигателей.

Данный круг задач актуален для многих плазмодинамических устройств, таких как стационарные плазменные двигатели (СПД) [80,81], ионные двигатели [82], эрозионные (абляционные) импульсные плазменные двигатели (АИПД) [39,83], двигатели с анодным слоем и трехэлектродные торцевые ускорители [84,85], плазмотроны [86], импульсные пушки [29], импульсные плазменные ускорители [87], торцевые сильноточные двигатели (ТСД) и торцевые сильноточные ускорители (ТСУ) [30], торцевые холловские двигатели (ТХД) или магнитоплазменные двигатели (МПД) [85], упомянутые выше магнитоплазменные компрессоры (МПК) [1,3−4,12−14,61−62,75−79], МГД-генераторы [26,31,88], а также других генераторов плазмы. Среди разнообразных генераторов плазмы одним из наиболее успешных плазмодинамических устройств является СПД, предложенный А. И. Морозовым. На протяжении 40 лет стационарные плазменные двигатели успешно используются для коррекции орбит космических аппаратов. В отличие от плазменных ускорителей в СПД ускорение разреженной плазмы 12 —3 и <10 см) осуществляется за счет иного механизма, а теоретические и численные исследования проводятся на основе кинетических уравнений для функции распределения [1,12,89−95]. Следует заметить, что основы теории процессов в СПД [91] были разработаны спустя нескольких десятков лет после разработки и успешной эксплуатации самой установки. Скорость истечения плазмы из СПД составляет примерно 10км/с, а вот расход топлива незначительный, порядка 10 г/с. Поэтому тяга этих систем на уровне одного ньютона. Малые значения тяги характерны для большинства существующих разработок плазменных двигателей. В обычных жидкостных ракетных двигателях, а также в ядерных ракетных двигателях [96], скорость истечения топлива не превышает 3 -г 5 км / с, а тяга наиболее мощных двигателей может достигать 105 ньютонов. Соизмеримую с СПД высокую скорость истечения имеют разрабатываемые детонационные двигатели [97−99].

В самых простейших плазменных ускорителях скорость истечения плазмы еще больше и составляет 20 4- 30 км /с. Рекордные значения 400 км/ с были достигнуты на двухступенчатой системе КСПУ [63]. В дальнейшем будут представлены оценки интегральных параметров КСПУ, в частности, тяги системы, если рассматривать возможные модификации плазменных ускорителей в качестве электрореактивных плазменных двигателей (ЭРПД). Оценка тяги КСПУ дает существенно более высокие значения, соизмеримые с тягой мощных обычных ракетных двигателей, выводящих современные аппараты в космос. В качестве топлива для ЭРПД может выступать любой газ, и, учитывая скорость истечения плазмы, запасы топлива могут быть значительно, на порядок, сокращены. Правда, использование ЭРПД предполагает наличие источника электрической энергии на борту, например, солнечных батарей в случае СПД или атомного реактора для мощных электрореактивных плазменных двигателей. При наличии атомного реактора ЭРПД могут быть использованы в атмосфере планет и Земли, где топливом является окружающий газ.

В отличие от большинства генераторов плазмы КСПУ имеет соплообразный ускорительный канал, сформированный именно двумя электродами, а не одним электродом и осью системы, как в торцевых системах. Тем самым изначально предусмотрена возможность организации трансзвуковых потоков в коаксиальных плазменных ускорителях с переходом скорости потока через скорость быстрой магнитозвуковой волны. Кроме того, в КСПУ, как проточной системе, могут быть эффективным образом решены вопросы, связанные с ионизацией газа, а также приэлектродные проблемы.

Таким образом, актуальность работы определена потребностью исследований плазмодинамических процессов в КСПУ на фундаментальном и прикладном уровнях.

Цели диссертационной работы. С плазменными ускорителями связаны исследования большого числа принципиальных вопросов плазмодинамики и различных классов явлений. К ним относится ионизация газа и ускорение плазмы, динамика трансзвуковых потоков плазмы, взаимодействие потоков плазмы с поверхностью различных материалов и приэлектродные процессы, компрессионное сжатие плазмы, динамика ионов примесей, перенос излучения и целый ряд других явлений и процессов.

Научные цели диссертации включают разработку основ теории течений ионизующегося газа с образованием фронта ионизации, потоков плазмы в КСПУ при наличии дополнительного продольного магнитного поля, разработку соответствующих физико-математических моделей и применение расчетных методов, а также проведение на их основе исследований различных процессов.

Методика исследований. В плазменных ускорителях для достаточно плотной плазмы теоретические и численные исследования процессов проводятся в рамках МГД-уравнений с учетом различных процессов, включая электропроводность и теплопроводность плазмы, эффект Холла и перенос излучения. При необходимости система МГД-уравнений дополняются уравнением кинетики ионизации и рекомбинации, а также уравнением электрической цепи. В данном случае речь идет об исследованиях классической идеальной плазмы, для которой показатель неидеальности много меньше 2 1 /" 3 единицы и е п /к^Т «1.

Теории аксиально-симметричных течений плазмы посвящены обзоры [10,11,13,14] и монографии [1,12,26,58], а также ряд статей (см., например, [100−105]). Существенная роль в разработке квазистационарных плазменных ускорителей и понимании происходящих процессов отводится численным моделям. Основы численного моделирования процессов в КСПУ были заложены в Институте прикладной математике им. М. В. Келдыша РАН профессором К. В. Брушлинским, под руководством которого сформировалось научное направление по математическому моделированию различных плазмодинамических и плазмостатических задач (см., например, [6,11,14,58,106−112]). Численным исследованиям динамики плазмы и ионизующегося газа в плазменных ускорителях посвящен целый ряд публикаций, в том числе, с участием автора (см., например, [6,113−134]).

Многие работы по моделированию проводились при непосредственном участии А. И. Морозова, который осуществлял физическую постановку задач и являлся инициатором разработок ряда магнитных ловушек и нескольких поколений плазменных ускорителей и стационарных плазменных двигателей. Работы в данных направлениях проводились в тесном сотрудничестве и взаимодействии с НИЦ «Курчатовский институт», ГНЦ РФ ТРИНИТИ, НИЯУ МИФИ, Институтом Физики Плазмы ННЦ ХФТИ HAH (Харьков, Украина), Институтом молекулярной и атомной физики HAH (Минск, Беларусь), Московским государственным техническим университетом радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), МГТУ им. Н. Э. Баумана, НИУ МАИ, кафедрой вычислительной механики Механико-математического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и другими организациями.

Уравнения магнитной газодинамики являются уравнениями смешанного типа. При отсутствии диссипаций для идеально проводящей плазмы МГД-уравнения представляют собой квазилинейную систему дифференциальных уравнений в частных производных гиперболического типа [135,136]. Теории разностных схем и численным методам решения математических задач, возникающих при исследовании физических процессов, посвящен ряд монографий, учебных пособий и обзоров [33,35,40,44,53,58,137−157], включая оригинальные статьи (см., например, [158−176]). При существующем многообразии численных методов решения задач газовой динамики, магнитной газодинамики и физической кинетике выбор метода определяется спецификой конкретной задачи, вычислительным опытом и практикой, использованием при необходимости параллельных вычислительных комплексов и соответствующей техники программирования (см., например, [177−181]).

В процессе решения гиперболической части МГД-задач для исследования динамики потоков в КСПУ использовалось несколько численных методов и разностных схем. В ранних работах [11,106−108,113−116] применялась схема «крест». В дальнейшем в расчетах МГД-течений использовались схема А. Хартена [168] и алгоритм С. Т. Залесака [164]. Большинство исследований, представленных в диссертации, проведено с помощью FCT-метода с коррекцией потоков [44,161−163] при условии расщепления по физическим процессам и координатным направлениям в случае многомерной постановки задач.

Важнейшим фактором в численных МГД-моделях является сохранение свойства соленоидальности магнитного поля согласно одному из уравнений Максвелла div Н = 0, которое выступает в качестве дополнительного соотношения магнитной газодинамики. Существует несколько способов (см., например, [53,139,157,165,172]), позволяющих удовлетворить данному соотношению в приближенных решениях, полученных разностными методами. В диссертации используется вектор потенциал магнитного поля, А так, что H = А и соотношение div Н = 0 выполнено тождественно в МГД-моделях аксиально симметричных течений плазмы в КСПУ при наличии дополнительного продольного магнитного поля.

Проводимость, соответственно, магнитная вязкость и теплопроводность обуславливает параболическую часть системы МГД-уравнений. Учет диффузии может осуществляться с помощью разных подходов (см., например, [137,143 147,153,154,182−188]). В представленных исследованиях, как правило, использовался потоковый вариант метода прогонки [182], позволяющий моделировать процессы, сопровождающиеся резким изменением электропроводности и теплопроводности среды.

Включение в МГД-модель уравнения кинетики ионизации и рекомбинации, соответственно, уравнений поуровневой кинетики, также предполагает использование отлаженных алгоритмов, предназначенных, в том числе и для решения жестких систем дифференциальных уравнений (см., например, [189−191]). Задача о переносе излучения в общем виде может быть решена с помощью специальных численных методов (см., например, [40,192 194]) и вычисления коэффициентов поглощения и излучательной способности среды для любого участка спектра и известных значений плотности, температуры и скорости. Переносу излучения в КСПУ посвящен ряд работ (см., например, [195−198]). Исследование динамики примесных ионов в потоке плазмы и расчеты траекторий одиночных частиц основаны на ранее разработанном методе пробных частиц [114,127,199−202].

Математический аппарат магнитной газодинамики основан на различных модификациях системы МГД-уравнений, отвечающих одножидкостному приближению, модели с учетом эффекта Холла, релятивистскому случаю, а также электронной магнитной газодинамике, учитывающей инерцию электронов. Учет тех или иных диссипативных факторов и различных процессов обусловлен деталями постановки задач. Уравнения магнитной газодинамики, основанные на законах сохранения и обладающие большим запасом прочности, используются для решения самых разнообразных задач плазмостатики и плазмодинамики. Кроме того, в плазмодинамике также как и в газодинамике используются два способа описания движения среды с помощью системы координат Эйлера и Лагранжа (см., например [33,40,203]). В представленных исследованиях используется описание Эйлера.

Научная новизна. В ИПМ им. М. В. Келдыша автором диссертации были разработаны новые модели различного уровня сложности и созданы соответствующие компьютерные коды, предназначенные для комплексного исследования процессов в КСПУ. На основе разработанных моделей сформировались новые направления исследований и получены новые результаты, отраженные в диссертации. Кроме того, проведенные исследования обеспечили решение актуальной научной проблемы теоретического обоснования нового класса установок КСПУ с продольным магнитным полем.

Основные новые элементы в диссертационной работе.

1. Предложена новая МГД-модель течений ионизующегося газа с учетом кинетики ионизации и рекомбинации. Исследования, проведенные на основе данной модели, изменили прежние представления о природе процессов в окрестности формирующегося фронта ионизации.

2. Разработан новый теоретический подход в исследовании структуры узкого фронта ионизации. Впервые выявлена и исследована структура фронта.

3. Разработаны основы теории и впервые найдено решение задачи о двумерном осесимметричном течении плазмы в коаксиальном канале плазменного ускорителя при наличии дополнительного продольного магнитного поля. Аналитические исследования основаны на приближении плавного канала для стационарных уравнений двухжидкостной МГД-модели идеально проводящей плазмы. Данная модель дала первичное представление о динамике вращающихся потоков плазмы в КСПУ нового поколения.

4. В рамках одножидкостного приближения разработаны новые численные МГД-модели, в общем случае нестационарных, осесимметричных двумерных течений плазмы в канале и компрессионных потоков на выходе из ускорителя в присутствии дополнительного продольного магнитного поля. В моделях используется вектор-потенциал магнитного поля и учитывается конечная проводимость среды. Модели впервые позволили выявить основные свойства и особенности трансзвуковых потоков плазмы в канале и компрессионных течений на выходе из ускорителя в рассматриваемом случае трехкомпонентного магнитного поля. В частности, обнаружен эффект генерации магнитного поля на формирующейся конической ударной волне в компрессионном потоке.

5. Впервые разработаны нестационарные двумерные двухжидкостные МГД-модели с учетом эффекта Холла, тензора проводимости среды и зависимости коэффициентов переноса от параметра замагниченности. В данных моделях также используется вектор-потенциал магнитного поля в общем случае трехкомпонентного магнитного поля. Модели дали возможность исследовать приэлектродные процессы и течения плазмы в ускорителях, отвечающих различным режимам токопереноса. а) Расчетные исследования приэлектродных процессов в КСПУ с непроницаемыми эквипотенциальными электродами впервые позволили провести сопоставление с экспериментальными данными, касающимися возникновения явления кризиса тока в традиционном ускорителе с азимутальным магнитным полем. Получены новые результаты о влиянии продольного магнитного поля на приэлектродные процессы в рассматриваемом режиме токопереноса. б) Исследования в канале КСПУ, отвечающего режиму ионного токопереноса с проницаемыми электродами, позволили выявить основные закономерности динамики потоков и впервые изучить влияние продольного магнитного поля на приэлектродные процессы для данного режима.

6. Исследования динамики ионов примесей в основном потоке водородной плазмы впервые позволили выявить условия, при которых возникает сепарация примесей и наблюдается эффект самоочистки потока от примесей.

Научная и практическая значимость. Представленные в диссертации новые результаты важны для понимания физики процессов в КСПУ, определяют новые направления исследований и дальнейшей модернизации плазменных ускорителей.

Научная ценность диссертационной работы состоит в разработке новых подходов в изучении течений ионизующегося газа и нового направления исследований динамики потоков плазмы в КСПУ в трехкомпонентном магнитном поле при наличии дополнительного продольного магнитного поля.

Практическая значимость работы связана с разработкой различных моделей и комплексными расчетными исследованиями, которые могут быть использованы в практических приложениях, направленных на модернизацию и применение КСПУ в различных областях, а также могут быть использованы для сравнения с результатами перспективных экспериментальных исследований и развития такой области знаний, как плазмодинамика. Представленные модели и результаты исследований опубликованы в авторитетных научных отечественных и зарубежных изданиях.

Практическое значение имеют следующие установленные факты.

Процесс ионизации газа с образованием стационарного неравновесного фронта ионизации может происходить при определенных условиях, сформулированных и представленных в диссертации.

Анализ интегральных характеристик потоков в КСПУ с азимутальным магнитным полем при использовании различных газов для генерации плазмы показал, что при использовании ускорителя в термоядерных целях энергия ионов на выходе не зависит от массы иона. Тяга системы при переходе к более тяжелым газам также практически не меняется. Поэтому для использования перспективных модификаций КСПУ в качестве электрореактивных плазменных двигателей наиболее предпочтительными являются легкие газы.

Исследования приэлектродных процессов в КСПУ с азимутальным магнитным полем, эквипотенциальными и непроницаемыми электродами показали, что существует область параметров, отвечающих стационарным течениям в отсутствии приэлектродных неустойчивостей, обусловленных эффектом Холла и предшествующих явлению кризиса тока. В терминах разрядного тока и расхода сформулирован критерий устойчивости потоков.

Наличие дополнительного продольного магнитного поля в системе КСПУ является положительным фактором, позволяющим предотвратить возникновение приэлектродных неустойчивостей и существенно расширить область значений параметров, отвечающих устойчивым течениям.

Слабое продольное магнитное поле позволяет реализовать трансзвуковые течения плазмы, отвечающие правильной организации процесса ускорения в профилированном коаксиальном канале ускорителя с переходом скорости потока через скорость быстрой магнитозвуковой волны.

Сильное продольное магнитное поле приводит к возникновению привязок тока на одном из электродов и формированию токового слоя, что может быть использовано в приложениях.

Возможные практические приложения связаны также с обнаруженным эффектом генерации продольного магнитного поля на конической ударной волне, формирующейся в компрессионном потоке на выходе из КСПУ.

Расчетные исследования динамики потоков в плазменных ускорителях с проницаемыми электродами, отвечающими режиму ионного токопереноса, показали, что в этом случае не возникает приэлектродных неустойчивостей и явления кризиса тока. Наличие слабого продольного магнитного поля не приводит к заметному изменению интегральных характеристик и позволяет существенно уменьшить скорость потока плазмы, которую необходимо подавать через прозрачный электрод в режиме ионного токопереноса.

Выявленный эффект сепарации ионов примесей и самоочистки потока указывает на возможность генерации чистой, например, дейтериевой плазмы с последующей инжекцией высокоэнергетичного потока в термоядерные системы. Эффект сепарации может быть использован также для разработки масс-сепаратора с целью переработки отходов атомной промышленности.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модели течений ионизующегося газа в канале ускорителя и неравновесная природа процессов на фронте ионизации, выявленная в рамках МГД-уравнений, дополненных уравнением кинетики ионизации и рекомбинации.

2. Основы теории процесса ионизации и структура фронта ионизации в канале плазменного ускорителя с азимутальным магнитным полем.

3. Основы теории стационарных двумерных осесимметричных течений плазмы в канале КСПУ при наличии дополнительного продольного магнитного поля, разработанные с помощью двухжидкостной МГД-модели идеально проводящей плазмы в приближении плавного канала. Влияние продольного магнитного поля на эффект Холла.

4. Двумерная численная модель осесимметричных течений плазмы в канале ускорителя при наличии продольного магнитного поля, основанная на уравнениях классической магнитной газодинамики с учетом конечной проводимости среды. Динамические характеристики вращающихся потоков плазмы в канале ускорителя.

5. Течения плазмы при использовании различных газов: сравнение интегральных характеристик потоков в канале и компрессионных течений на выходе из канала традиционного плазменного ускорителя с азимутальным магнитным полем.

6. Особенности компрессионных потоков плазмы при наличии дополнительного продольного магнитного поля. Эффект генерации магнитного поля на конической ударной волне — пример гидромагнитного или МГД-динамо.

7. МГД-модель двумерных осесимметричных течений плазмы с учетом эффекта Холла, тензора проводимости среды и зависимости коэффициентов от параметра замагниченности. а) Приэлектродные процессы в канале ускорителя с непроницаемыми эквипотенциальными электродами. Сопоставление теоретических, расчетных и экспериментальных данных, определяющих возникновение явления кризиса тока за счет эффекта Холла. Условие стационарности течений плазмы в отсутствии приэлектродных неустойчивостей, предшествующих кризису тока. Влияние продольного магнитного поля. б) Динамка плазмы в канале КСПУ в режиме ионного токопереноса с проницаемыми эквипотенциальными электродами. Отсутствие каких-либо приэлектродных неустойчивостей для данного режима. Влияние продольного магнитного поля на протекание плазмы через проницаемые электроды. Формирование токовых слоев в движущейся плазме и привязок тока на внешнем аноде для достаточно сильного продольного поля в соответствии с классической МГД-моделью.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается использование моделей различного уровня сложности и применением хорошо зарекомендовавших себя вычислительных методов, точность которых проверялась на тестовых задачах. Верификация моделей и решений осуществлялась на основе сопоставления результатов расчетных исследований, полученных в разных моделях, включая аналитические построения. Использовались средства внутреннего контроля, в том числе сравнение результатов расчетов, полученных на разных сетках. Валидация моделей и результатов исследований проводилась путем сопоставления с имеющимися экспериментальными данными. Результаты исследований обсуждались на многочисленных конференциях и семинарах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах Института прикладной математики им. М. В. Келдыша, Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ФГУП ГНЦ ТРИНИТИ, г. Троицк. РФ), Механико-математического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, Института механики МГУ им. М. В. Ломоносова (семинар по механике сплошных сред под рук. А. Г. Куликовского, В. П. Карликова и О.Э. Мельника), а также на следующих конференциях, школах и съезде: Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Истра, 2000; Санкт-Петербург, 2002; Самара, 2004; Санкт-Петербург, 2006), Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Истра, 2001; Владимир, 2003; Алушта, 2009), Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2001, 2004, 2006), Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 2002, 2006, 2008), Международной конференции «Plasma Physics and Controlled Fusion» (Алушта, Крым, Украина, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010, 2012), Всероссийской конференции «Аэродинамика и газовая динамика в XXI веке», посвященной 80-летию академика Г. Г. Черного (Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, 2003),.

Международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, Крым, Украина, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008), Всероссийской конференции «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов для решения задач математической физики с приложением к многопроцессорным системам» посвященной памяти К. И. Бабенко (Дюрсо, 2004), Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, 2005, 2007, 2009), Международной конференции AIAA «Plasmadynamics and Lasers» (США, 2006), школе-семинаре по Магнитоплазменной аэродинамике (Институт высоких температур РАН, 2008, 2009, 2010), Международной конференции «Современные проблемы вычислительной математики и математической физики» (МГУ им. М. В. Ломоносова, 2009), Всероссийской конференции «Математика в приложениях», приуроченной к 80-летию академика С. К. Годунова (Новосибирск, 2009), Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления», посвященной 75-летию со дня рождения академика В. П. Мясникова (Владивосток, 2011), Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011).

Личный вклад автора. Большинство исследований, представленных в диссертации, проведено и опубликовано автором на протяжении последних 10 -12 лет. Исследования включали физическую и математическую постановку задач, разработку моделей, применение вычислительных методов, составление компьютерных кодов, расчетные исследования и анализ результатов. В некоторых совместных работах последних лет автор определял направления исследований, представлял разработанные им компьютерные коды для проведения необходимых расчетов и участвовал на равных в совместных обсуждениях и интерпретации полученных результатов.

Реализация и внедрение результатов работы. Проведенные исследования на протяжении многих лет выполнялись в рамках научных планов ИПМ им.

М.В.Келдыша РАН и программ Президиума РАН, поддерживались грантами Российского фонда фундаментальных исследований, в которых автор выступал в качестве исполнителя (7 проектов) и руководителя (№ 06−02- 16 707а и № 12−02−90 427Укра). Данные исследования соответствуют приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (п. 7. Транспортные и космические системы, п. 8. Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика), а также перечню критических технологий РФ (п. 9. Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом, п. 15. Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику, п. 24. Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения).

Результаты исследований использовались для обоснования и разработки концепции КСПУ нового поколения. В рамках проекта РФФИ № 06−02−16 707а в ТРИНИТИ была сконструирована и реализована новая экспериментальная установка КСПУ с продольным магнитным полем [74]. Проведенные эксперименты подтвердили возможность функционирования установки в качестве одной из перспективных модификаций КСПУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе более 20 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов докторских диссертаций, 7 статей в рецензируемых сборниках, более 15 препринтов ИПМ им. М. В. Келдыша, более 10 статей в сборниках трудов конференций, а также тезисы докладов на всероссийских и зарубежных конференциях и научно-технические отчеты. Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях.

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК 1. Брушлинский К. В., Козлов А. Н., Морозов А. И. Численное исследование двумерных течений плазмы и ионизующегося газа методом пробных частиц. //Физика плазмы. 19S5. Т. 11, № 11. С. 1358−1367.

2. Брушлинский К. В., Заборов A.M., Козлов А. Н., Морозов А. И., Савельев В. В. Численное моделирование течений плазмы в КСПУ. // Физика плазмы. 1990. Т. 16, № 2. С. 147−157.

3. Козлов А. Н. Особенности динамики плазмы в КСПУ в процессе установления течения. // Физика плазмы. 1992. Т. 18, № 6. С. 714−723.

4. Козлов А. Н. Кинетика ионизации и рекомбинации в канале плазменного ускорителя. И Изв. РАН. МЖГ. 2000. № 5. С. 181−188.

5. Козлов А. Н. Модель пристеночной проводимости в окрестности макронеоднородной зеркально отражающей поверхности. // Физика плазмы. 2002. Т. 28, № 2. С. 180−187.

6. Козлов А. Н. Влияние продольного магнитного поля на эффект Холла в канале плазменного ускорителя. // Изв. РАН. МЖГ. 2003. № 4. С. 165−175.

7. Kozlov A.N. Modeling of rotating flows in the plasma accelerator channel with longitudinal magnetic field. // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. 2005. No. 1. P. 104−106.

8. Козлов А. Н. Динамика вращающихся потоков в канале плазменного ускорителя с продольным магнитным полем. // Физика плазмы. 2006. Т. 32, № 5. С. 413−422.

9. Kozlov A.N., Zaborov A.M. Formation of the current attachments in plasma accelerator channel under influence of the longitudinal magnetic field. // Problems of Atomic Sci. and Tech. Ser.: Plasma Physics.2006. No. l2.P.93−96.

10. Kozlov A.N. Generation of the magnetic field in the compressible plasma streams. // Problems of At. Sci. and Tech. Ser.: PI. Ph. 2008. No. 6. P. 101−103.

11. Kozlov A.N. Basis of the quasi-steady plasma accelerator theory in the presence of a longitudinal magnetic field.//J. Plasma Physics. 2008. V.74,No.2.P.261−286.

12. Kozlov A.N., Drukarenko S.P., Klimov N.S., Moskacheva A.A., Podkovyrov V.L. The experimental research of the electric characteristics of discharge in the quasi-steady plasma accelerator with the longitudinal magnetic field. // Problems of Atomic Science and Technology. Ser.: Plasma Physics. 2009. No. 1. P. 92−94.

13. Козлов А. Н. Двухжидкостная магнитогидродинамическая модель течений плазмы в квазистационарном ускорителе с продольным магнитным полем. // Прикладная механика и техническая физика. 2009. Т. 50, № 3. С. 44−55.

14. Kozlov A.N. Influence of geometry of the impenetrable electrodes on process of formation of the current crisis in the plasma accelerators. // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. 2010. No. 6. P. 97−99.

15. Козлов А. Н. Устойчивость течений и явление кризиса тока в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе. // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. МЖГ. Изд. ННГУ им. Н. И. Лобачевского, Н. Новгород. 2011. № 4, часть 3. С. 849−851.

16. Kozlov A.N., Drukarenko S.P., Seytkhalilova E.I., Solyakov D.G., Velichkin M.A. The comparative analysis of the compressible plasma streams generated in QSPA from the various gases. // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. 2012. N 6. P. 120−122.

17. Козлов А. Н. Исследование приэлектродных процессов в квазистационарных плазменных ускорителях с непроницаемыми электродами. // Физика плазмы. 2012. Т. 38, № 1. С. 15−25.

18. Garkusha I.E., Chebotarev V.V., Kulik N.V., Ladygina M.S., Marchenko A.K., Petrov Yu.V., Solyakov D.G., Eliseev D.V., Staltsov V.V., Cherednichenko T.N., Morgal Ya.I., Kozlov A.N. Local MHD characteristics in compression zone and plasma stream generated by MPC. // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. 2012. N 6. P. 123−125.

19. Kozlov A.N., Garkusha I.E., Konovalov V.S., Novikov V.G. The radiation intensity of the Lyman alpha line at ionization front in the quasi-steady plasma accelerator. // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. 2013. N 1. P.128−130.

20. Бармин A.A., Козлов А. Н. Структура стационарного фронта ионизации в канале плазменного ускорителя. // Изв. РАН. МЖГ. 2013. № 4. С. 164−175.

Статьи в рецензируемых изданиях.

21. Козлов А. Н. Модели физических процессов в плазменных ускорителях. // Сб. «Физика экстремальных состояний вещества» под ред. В. Е. Фортова и др. Изд. ИПХМ РАН, Черноголовка. 2002. С. 167−169.

22. Козлов А. Н. Моделирование осесимметричных вращающихся трансзвуковых потоков плазмы. // Сб. «Физика экстремальных состояний вещества» под ред. В. Е. Фортова и др. Изд. ИПХМ РАН, Черноголовка. 2005. С. 226−227.

23. Козлов А. Н. Особенности динамика потоков плазмы в ускорителях при наличии продольного магнитного поля. // Сб. «Физика экстремальных состояний вещества — 2006» под ред. В. Е. Фортова и др. Изд. ИПХМ РАН, Черноголовка. 2006. С. 252−253.

24. Kozlov A.N. Plasma flow peculiarities in accelerator channel with longitudinal magnetic field. // AIAA Meeting Papers. 37-th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conf. 5−6 June 2006. Sun Francisco, California. Paper AIAA 2006;3564. P. 1−16. Copyright by the American Institute of Aeronautics and Astronautics.

25. Морозов А. И., Козлов А. Н. Эффект самоочищения потока водородной плазмы в ускорителе КСПУ. // Сб. «Физика экстремальных состояний вещества — 2007» под ред. В. Е. Фортова и др. Изд. ИПХФ РАН, Черноголовка. 2007. С. 316−319.

26. Друкаренко С. П., Климов Н. С., Козлов А. Н., Москачева А. А., Подковыров B.JI. Приэлектродные процессы в квазистационарном плазменном ускорителе (КСПУ) с продольным магнитным полем. // Сб. «Физика экстремальных состояний вещества — 2008» под ред. В. Е. Фортова и др. Изд. ИПХФ РАН, Черноголовка. 2008. С. 262−265.

27. Konovalov V.S., Kozlov A.N., Novikov V.G. The condition of transition from the pulsing modes to the stationary ionizing gas flows in the channel of the coaxial plasma accelerator. // Compendium «Physics of Extreme States of Matter — 2009». Ed. V.E. Fortov. Chernogolovka, IPCP RAS. 2009. P. 211−214.

Некоторые другие публикации автора по теме диссертации.

28. Козлов А. Н. Определение геометрии электродов и оценки параметров коаксиального плазменного ускорителя в приближении плавного течения. II Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР. 1984. № 123. 28 с.

29. Козлов А. Н. Моделирование двумерных течений ионизующегося газа и плазмы в коаксиальном ускорителе с учетом теплопроводности, излучения и процессов в электрической цепи. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР. 1985. № 186.23 с.

30. Козлов А. Н. Расчет двумерных течений ионизующегося газа и плазмы в коаксиальном ускорителе с учетом теплопроводности, излучения и процессов в электрической цепи. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР. 1986. № 32. 27 с.

31. Козлов А. Н. Численное исследование двумерных течений ионизующегося газа в приближении ЛТР. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 1986. № 174. 20 с.

32. Брушлинский К. В., Козлов А. Н., Морозов А. И. Динамика плазмы в системе ускоритель — вакуумная камера. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР. 1988. № 146. 16 с.

33. Козлов А. Н. Течение плазмы с анодным подпотоком в канале коаксиального ускорителя медленно меняющегося сечения. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша АН СССР. 1989. № 53. 20 с.

34. Козлов А. Н. Численная модель динамики плазмы в духступенчатом коаксиальном сильноточном плазменном ускорителе. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 1992. № 68. 22 с.

35. Козлов А. Н. Влияние геометрических факторов на процесс ионизации газа в канале плазменного ускорителя. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 1995. № 112. 18 с.

36. Козлов А. Н. Кинетика ионизации и рекомбинации в канале плазменного ускорителя. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 1998. № 42. 30 с. в.

37. Козлов А. Н. Пристеночная проводимость в окрестности зеркально отражающей макронеоднородной поверхности в канале стационарного плазменного двигателя (СПД). // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2001. № 29. 21 с.

38. Козлов А. Н. Аналитическая модель аксиально симметричных течений идеальной двухкомпонентной плазмы при наличии продольного магнитного поля.// Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2002.№ 12. 32с.

39. Козлов А. Н. Численная модель вращающихся осесимметричных потоков плазмы. Сопоставление с аналитической моделью. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2004. № 48. 26 с.

40. Козлов А. Н. Исследование вращающихся потоков плазмы на основе двумерной одножидкостной МГД-модели. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2005. № 69. 27 с.

41. Козлов А. Н. Воздействие продольного магнитного поля на компрессионные потоки плазмы. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2007. № 87. 19 с.

42. Бармин A.A., Козлов А. Н. Исследование структуры фронта ионизации в квазистационарном плазменном ускорителе. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2012. № 47. 36 с.

43. Козлов А. Н., Коновалов B.C., Новиков В. Г. Сравнительный анализ трех методов расчета переноса излучения на фронте ионизации в квазистационарных плазменных ускорителях. // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2012. № 50. 24 с.

44. Козлов А. Н. Математическое моделирование вращающихся осе симметричных потоков плазмы. // Сборник трудов 7-й Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование». Новокузнецк, 4−5 декабря 2004 г. Изд.: НФИ КемГУ. 2004. С. 12−14.

45. Козлов А. Н. Расчет траекторий одиночных частиц в канале ускорителя при наличии продольного магнитного поля и вращения плазмы. // Сборник трудов 8-й Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование». Новокузнецк, 1−3 декабря 2006 г. Изд.: НФИ КемГУ. 2006. С. 83−90.

46. Козлов А. Н., Климов Н. С., Подковыров B.JI. Исследование плазмодинамических процессов в канале ускорителя с продольным магнитным полем. // Материалы VI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2006), Санкт-Петербург, 26 июня — 1 июля 2006, М.: Вузовская книга. 2006. С. 206−208.

47. Козлов А. Н. Численная модель компрессионных потоков плазмы при наличии продольного магнитного поля в квазистационарном плазменном ускорителе (КСПУ). // Сборник трудов. III школа-семинар по Магнитоплазменной аэродинамике под руководством Г. Г. Черного и В. А. Битюрина. 8−10 апреля 2008 г. М.: ИВТ РАН. 2008, С. 265−271.

48. Kozlov A.N. Theoretical researches and experimental realization of the quasi-steady plasma accelerator with the longitudinal magnetic field. // Proceedings the 8th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Ed. V.A. Bityurin. Moscow. JIHT RAS. 2009. P. 82−85.

49. Козлов А. Н. Сравнительный анализ трех МГД-моделей динамики потоков в плазменных ускорителях с продольным магнитным полем. // Материалы XYI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2009), 2531 мая 2009 г. Алушта. М.: МАИ-ПРИНТ. 2009. С. 394−397.

50. Kozlov A.N. Researches of the phenomenon of the current crisis in the channel of the plasma accelerator with the continuous electrodes within the framework of the two-fluid MHD-model.//Proc. of the 9th International Workshop on MagnetoPlasma Aerodynamics. Ed. V.A. Bityurin. Moscow. JIHT RAS. 2010. P.95−97.

51. Козлов А. Н. Интегральные характеристики и параметры ядра потока в канале плазменного ускорителя при наличии приэлектродных слоев. // Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления. Всероссийская научная конференция, посвященная 75-летию со дня рождения акад. В. П. Мясникова, 11−17 сентября 2011, Владивосток. Сборник докладов. Электр, ресурс: http//iacp.dvo.ru/fapm/ и CD-ROM, ISBN 978−5-7442−1530−9. Изд: ИАПУ ДВО РАН, Владивосток. 2011. С. 246−252.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертационная работа содержит 273 страницы, 66 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 323 наименования.

5.7. Выводы.

В рамках двумерной двухжидкостной МГД-модели с учетом эффекта Холла и тензора проводимости среды проведено исследование приэлектродных процессов в КСПУ с эквипотенциальными и непроницаемыми электродами. Численные эксперименты подтвердили теоретические предпосылки возникновения явления кризиса тока, обусловленного эффектом Холла, и позволили провести сопоставление с имеющимися экспериментальными данными. Выявлена область параметров и сформулирован критерий, отвечающие стационарным течениям плазмы в отсутствии приэлектродных неустойчивостей, предшествующих явлению кризиса тока.

Исследования показали, что увеличение характерных размеров плазменного ускорителя расширяет область параметров, отвечающих стационарным устойчивым режимам течения. Установлено, что варьирование характерной температуры плазмы на входе и наличие слабого продольного магнитного поля в ускорителе не оказывает существенного влияния на процесс формирования кризиса тока при условии равномерной подачи плазмы на входе в канал КСПУ. Рассмотрен случай неравномерной подачи в соответствие с аналитической моделью динамки плазмы в приближении плавного канала. Численные эксперименты показали, что неравномерная подача не оказывает существенного влияния на развитие приэлектродных неустойчивостей. Однако одновременное использование неравномерной подачи и дополнительного слабого продольного магнитного поля существенно расширяет область значений параметров, отвечающих стационарным течениям в отсутствие неустойчивостей. Форма непроницаемых электродов также влияет на развитие приэлектродных неустойчивостей и возникновение кризиса тока.

Двухжидкостная модель с учетом эффекта Холла и тензора проводимости среды подтвердила результаты исследований на основе одножидкостной модели о возможности формирования токовых слоев и привязок тока к электродам для достаточно больших значений продольного поля в канале ускорителя с непроницаемыми эквипотенциальными электродами.

Численные эксперименты, проведенные для режима ионного токопереноса с проницаемыми электродами на основе двумерной двухжидкостной МГД-модели, показали, что слабое продольное магнитное поле также позволяет реализовать трансзвуковые течения плазмы в канале коаксиального ускорителя при различных условиях подачи плазмы на входе. При этом в окрестности электродов не наблюдалось возникновения и формирования каких-либо неустойчивостей, а на выходе из ускорителя доля энергии, обязанная вращению, существенно меньше кинетической энергии продольного потока плазмы. В то же время для достаточно сильного продольного поля наблюдается формирование токовых слоев в движущейся плазме и привязок тока на внешнем аноде в соответствии с другими моделями.

Выявлены характерные особенности динамики потоков в окрестности анода при условии оптимальной подачи и самосогласованного протекания плазмы через проницаемые эквипотенциальные электроды в режиме ионного токопереноса. Максимальные значения в распределении потока плазмы через анод достигаются в средней наиболее узкой части канала. При введении в систему продольного поля наблюдается заметное уменьшение нормальной составляющей скорости втекания плазмы через проницаемый анод при одновременном увеличении плотности в окрестности электрода. При этом интегральные потоки плазмы через поверхности электродов и интегральный параметр обмена практически не зависят от продольного поля.

Таким образом, слабое продольное поле позволяет положительным образом изменить динамику плазмы в окрестности электродов, не оказывая заметного влияния на основной поток и не меняя интегральные параметры модифицированного ускорителя.

Исследование динамики ионов примесей в потоке водородной плазмы позволило выявить условия, при которых сепарация ионов примесей в КСПУ становится явно выраженной и наблюдается эффект самоочищения потока плазмы от примесей. Установлено, что увеличение разрядного тока в системе, увеличение характерной температуры фонового потока, а также уменьшение концентрации плазмы, подаваемой на входе в канал ускорителя, приводит к удалению примесей из основного потока дейтериевой плазмы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выявлена неравновесная природа процессов на фронте ионизации в потоке ионизующегося газа в канале квазистационарного плазменного ускорителя. На фронте ионизации наблюдается четко выраженное отклонение от равновесия, что существенно изменило прежние представления о происходящих процессах.

Установлено, что в рамках МГД-уравнений, дополненных уравнением кинетики ионизации и рекомбинации, в отличие от локального термодинамического равновесия процесс ионизации происходит в узкой зоне, что согласуется с имеющимися экспериментальными данными.

2. Разработаны основы теории процессов на фронте ионизации в канале плазменного ускорителя. Выявлена структура стационарного неравновесного фронта ионизации. При наличии структуры процесс ионизации начинается в дозвуковой области из стационарного состояния, отвечающего нейтральному газу с нулевой степенью ионизации, и завершается в сверхзвуковой области в стационарной особой точке МГД-уравнений, являющейся устойчивым узлом.

Сформулированы условия, отвечающие возможности осуществления процесса ионизации газа в канале ускорителя, возможности перехода скорости потока ионизующегося газа через газодинамическую скорость звука и выхода в стационарные особые точки в пределах узкого фронта ионизации.

3. В приближении плавного канала построена аналитическая модель двумерных осесимметричных стационарных течений идеально проводящей плазмы, определена геометрия электродов и произведены оценки параметров коаксиального плазменного ускорителя с азимутальным магнитным полем.

Разработаны основы теории течений плазмы в канале КСПУ при наличии дополнительного продольного магнитного поля. В результате решения задачи в приближении плавного канала получено первичное представление о динамике плазмы в трехкомпонентном магнитном поле, исследованы особенности процесса ускорения вращающихся потоков и выявлена возможность реализации трансзвуковых течений с переходом скорости потока через.

71, А ь скорость быстрой магнитозвуковой волны. Обнаружено, что с помощью продольного магнитного поля можно уменьшить влияние эффекта Холла и область анодного подпотока в канале плазменного ускорителя.

4. Исследование осесимметричных потоков плазмы в канале ускорителя при наличии продольного магнитного поля на основе двумерной одножидкостной МГД-модели в терминах векторного потенциала магнитного поля с учетом конечной проводимости среды показало, что слабое продольное поле позволяет реализовать трансзвуковые течения при различных условиях подачи плазмы на входе. Слабое продольное поле, действуя на протяжении всей длины канала, приводит к постепенно нарастающему вращению. При этом на выходе доля энергии, обязанная вращению, существенно меньше кинетической энергии продольного потока, а в окрестности внешнего электрода наблюдается увеличение концентрации. При достаточно сильном продольном поле наблюдается формирование токовых слоев в потоке и привязок тока на аноде.

5. На основе одножидкостной МГД-модели с учетом проводимости, теплопроводности и потерь энергии на излучение проведен сравнительный анализ компрессионных потоков плазмы, генерируемой в КСПУ с азимутальным магнитным полем из различных газов: водорода, гелия, аргона и ксенона. Для всех газов компрессионное течение на выходе из ускорителя содержит коническую ударную волну, на которой происходит скачкообразное изменение плотности, температуры и давления. При переходе к более тяжелым газам уменьшается скорость потока в канале, соответственно уменьшаются максимальные значения концентрации плазмы в области компрессии. В то же время энергия ионов на выходе практически не меняется при изменении массы иона. Тем самым эффективность ускорителя при его использовании в термоядерных целях не зависит от массы ионов, например, дейтерия и трития.

Анализ интегральных характеристик потоков в канале ускорителя при использовании различных газов для генерации плазмы показал, что переход к более тяжелым газам сопровождается увеличением расхода и падением мощности ускоренной струи. В то же время тяга системы практически не меняется. Соответственно легкие газы, в частности, водород являются наиболее предпочтительными для использования в перспективных модификациях КСПУ в качестве мощных электрореактивных плазменных двигателей.

Выявлены особенности компрессионных потоков плазмы на выходе из канала ускорителя при наличии продольного магнитного поля. Обнаружено, что слабое продольное поле оказывает заметное воздействие на компрессионные потоки плазмы и положение конической ударной волны, увеличивая угол ее наклона к оси системы. Под воздействием продольного поля значения плотности и температуры заметно снижаются в области компрессии.

За ударной волной формируется область, в которой продольное магнитное поле имеет существенно более высокие значения по сравнению с величиной продольного поля на входе в канал ускорителя и перед ударным переходом. Тем самым выявлена генерация продольного магнитного поля на конической ударной волне. Данный эффект является примером гидромагнитного динамо или МГД-динамо, когда по обе стороны конической поверхности происходит вращение проводящей среды с разной скоростью. 6. Проведено исследование приэлектродных процессов в коаксиальном плазменном ускорителе с эквипотенциальными и непроницаемыми электродами на основе двумерной, в общем случае нестационарной, двухжидкостной МГД-модели с учетом эффекта Холла и тензора проводимости среды. Модель реализована в терминах векторного потенциала магнитного поля. Численные эксперименты подтвердили теоретические предпосылки возникновения явления кризиса тока, обусловленного эффектом Холла, и позволили провести сопоставление с имеющимися экспериментальными данными. Выявлена область параметров и сформулирован критерий, отвечающие стационарным течениям в отсутствии приэлектродных неустойчивостей, предшествующих явлению кризиса тока. Установлено, что одновременное использование неравномерной подачи на входе и.

1 й" дополнительного слабого продольного магнитного поля существенно расширяет область значений параметров, отвечающих устойчивым течениям.

Двухжидкостная модель с учетом эффекта Холла и тензора проводимости среды подтвердила результаты исследований на основе одножидкостной модели о возможности формирования токовых слоев для сильного продольного поля в ускорителе с непроницаемыми эквипотенциальными электродами. 7. Исследование течений плазмы в канале КСПУ при наличии продольного магнитного поля в режиме ионного токопереноса с проницаемыми электродами, проведенное на основе двухжидкостной МГД-модели с учетом эффекта Холла и тензора проводимости среды, подтвердило основные закономерности плазмодинамических процессов, выявленные ранее на основе аналитической и одножидкостной моделей. Для данного режима слабое продольное поле также позволяет реализовать трансзвуковые течения при различных условиях подачи плазмы на входе. При этом в окрестности электродов не наблюдалось возникновения каких-либо неустойчивостей. В то же время для достаточно сильного продольного поля наблюдается формирование токовых слоев в движущейся плазме и привязок тока на внешнем аноде в соответствии с другими моделями.

Выявлены характерные особенности динамики потоков в окрестности анода в режиме ионного токопереноса при условии оптимальной подачи и самосогласованного протекания плазмы через проницаемые эквипотенциальные электроды. Максимальные значения в распределении потока плазмы через анод достигаются в средней наиболее узкой части канала. При введении в систему продольного магнитного поля наблюдается заметное уменьшение нормальной составляющей скорости втекания плазмы через проницаемый анод при одновременном увеличении плотности в окрестности электрода за счет возникающего вращения. При этом интегральные потоки плазмы через поверхности электродов и интегральный параметр обмена практически не зависят от продольного поля.

8. С помощью метода пробных частиц, ионов заданной массы и заряда, исследована динамка ионов примесей в потоке водородной плазмы и выявлены условия, при которых сепарация ионов примесей в КСПУ становится явно выраженной и наблюдается эффект самоочищения потока плазмы от примесей. Расчеты траекторий ионов примесей проведены на основе уравнения движения иона в электромагнитном поле МГД-задачи с учетом кулоновских столкновений отдельной частицы с ионами и электронами основного потока.

Установлено, что увеличение разрядного тока в системе, увеличение характерной температуры фонового потока, а также уменьшение концентрации плазмы, подаваемой на входе в канал ускорителя, приводит к сепарации примесных ионов и их удалению из основного потока дейтериевой плазмы.

Таким образом, разработаны основы теории процессов на фронте ионизации, основы теории течений плазмы при наличии продольного магнитного поля в канале КСПУ. Выявлены и исследованы фундаментальные свойства потоков ионизующегося газа, а также потоков плазмы в присутствии продольного магнитного поля. Слабое продольное поле позволяет положительным образом изменить динамику плазмы в окрестности электродов, не оказывая заметного влияния на основной поток и интегральные характеристики модифицированного ускорителя с дополнительным продольным магнитным полем. Тем самым решена крупная научная проблема теоретического обоснования проектирования и разработки нового класса плазмодинамических установок — КСПУ с продольным магнитным полем.

Следует подчеркнуть, что представленные модели и результаты выходят за рамки исследования и разработки плазменных ускорителей нового поколения. Проведенные исследования могут быть использованы в таких областях как физика плазмы, включая управляемый термоядерный синтез, создание мощных электрореактивных плазменных двигателей и МГД-генераторов, внедрение новых плазменных технологий, а также представляют интерес для специалистов в области вычислительной плазмодинамики.