4. Исследование характеристик ионизованного ударного слоя

Для исследования характеристик ионизованного потока используются различные методы.

С помощью спектрального метода получают важную информацию о свойствах пристеночной плазмы, а именно спектрального состава излучения, на основе которого определяется химический состав газа, концентрация заряженных частиц и электронная температура. Метод зондирования плазменных образований радиоволнами дает возможность измерить или по крайней мере оценить концентрацию электронов. В настоящее время разработана методика и создана соответствующая измерительная аппаратура для исследования плазменных образований в лабораторных условиях (12). Однако указанные выше методы позволяют в основном получить интегральные характеристики ионизованного плазменного слоя и не дают распределения параметров по его толщине. Кроме того, использование спектроскопических средств в лётных условиях представляет значительные трудности.

Электрический зонд как средство диагностики плазменных образований дает возможность определить локальные значения концентрации и температуры электронов в заданной точке ионизованного потока с разрешающей способностью, определяемой размерами чувствительногоэлемента зонда. По измеренным локальным значениям находят распределение концентрации и температуры электронов по толщине ударного слоя.

Суть зондового метода заключается в измерении силы тока заряженных частиц на малом электроде, имеющем некоторый потенциал относительно плазмы. Зависимость силы тока от потенциала электрода называется зондовой характеристикой. По зондовой характеристике определяют основные параметры плазмы – температуру и концентрацию заряженных частиц, а также потенциал плазмы.

К достоинствам зондового метода отнести простоту измерений и использование несложной измерительной аппаратуры. Недостатком метода является возможность возмущения плазмы зондом, которое приводит к изменению функции распределения и потенциала пространства в некоторой области вокруг зонда. Одно из допущений зондовой теории заключается в том, что эти электростатические возмущения в основном локализуются вблизи зонда, поэтому он мало влияет на состояние окружающей плазмы. Локализация обусловлена тем, что в достаточно плотной плазме зонд окружён слоем заряженных частиц, которые экранируют его от остального объекта. Основная задача зондовой теории заключается в нахождении связи между силой тока, протекающей в зонде, и параметрами плазмы.

Если используется простой одиночный зонд, для определения концентрации и температуры электронов измеряют силу тока, идущего на электрод, погруженный в плазму, при различных значениях подаваемого на него напряжения, т.е. находят зондовую характеристику.

В схеме двойного зонда к двум датчикам-зондам, помещенным в плазму, приложена разность потенциалов. В этом случае зондовая характеристика имеет симметрический характер относительно начала координат.

Общее выражение для силы тока, идущего на зонд, в области значительного изменения зондовой характеристики при максвелловском распределении электронов по энергиям имеет следующий вид:

(8)

где - ионная составляющая силы тока; - сила электрического тока в отсутствии задерживающего поля; U – задерживающая разность потенциалов; k – постоянная Больцмана; Т - температура электронов.

Принимая во внимание, что ( - электронная составляющая силы тока), и прологарифмировав выражение (8), получим уравнение

, (9)

которое используется в общем случае для определения .

Для интерпретации зондовых измерений используется такой способ графического изображения зондовой характеристики, при котором логарифм выражения для силы электронного тока представляют в зависимости от U.

Таким образом, величина e/(kT ) представляет собой угол наклона зондовой характеристики в полулогарифмическом масштабе. Отсюда легко получить значение электронной температуры.

При отрицательном относительно окружающего газа потенциале зонда сила электронного тока на зонде определяется следующей зависимостью:

exp (- ) , (10)

где - концентрация электронов; S – площадь собирающей поверхности зонда; - масса электрона.

Из этого выражения определяют значение концентрации электронов в исследуемом газе.

При использовании метода получения зондовой характеристики с помощью одиночного зонда Лэнгмюра требуется, чтобы потенциал зонда менялся по времени. Это накладывает определенные ограничения на измерения характеристик быстро меняющейся плазмы, что имеет место при неустановившихся режимах полета гиперзвуковых ЛА.

Электрический зонд используется также для определения только электронной концентрации. В этом случае он работает в режиме насыщения зондового тока при постоянном значении приложенного к нему напряжения. Такой режим реализуется, например, если зонд находится под безразмерным потенциалом , где .

По значению тока насыщения определяют концентрацию ионов или электронов ( .

В общем случае выбор способа определения из вольтамперной характеристики (6) обусловлен рядом основных параметров зондовой системы:

Числом Дебая , отношением - радиус зондового электрода), числом Кнудсена для ионов - средняя длина свободного пробега ионов), числом для потока ионов, отношением температуры электронов к температуре ионов .

По траектории полёта модели гиперзвукового ЛА параметры ионизованного газа изменяются в очень широких пределах, что , в свою очередь, приводит к изменению условий обтекания электрического зонда. Для цилиндрического зонда диаметром 1 мм датчик находится в режиме свободномолекулярного обтекания на высоте 80 …90 км ( . На высотах 70 … 50 км реализуется переходный режим ( ), а на высоте менее км – диффузионный режим ( ). При свободномолекулярном обтекании концентрация электронов определяется из выражения (10). В диапазоне высот полёта Н= 70 … 50 км необходимо использовать теорию переходного режима (49) На высотах менее 50 км электрических зонд диаметром 1 мм работает в диффузионном режиме. В настоящее время для этого режима не существует строгой теории, и для обработки результатов зондовых измерений необходимо произвести калибровку зонда в гиперзвуковой аэродинамической трубе.

Концентрация электрических зондов, предназначенных для работы в условиях гиперзвукового полёта модели, должно быть достаточно прочной, а материалы, из которых она изготовлена, должны обладать высокими теплоизоляционными свойствами, так как температура газа в ударном слое достигает нескольких тысяч градусов. Кроме того, в этих условиях материалы должны сохранять свои электроизоляционные свойства. При изготовлении датчиков электрических зондов применяют, например, вольфрам с противоокислительными покрытиями из кварца, нитрида бора, окиси бериллия и других металлокерамических материалов. Конструктивно электрические зонды выполняются в виде отдельных датчиков либо объединяются в гребёнки для измерения профиля концентрации электронов. Для измерения концентрации электронов или градиентов электронной концентрации в слое, непосредственно примыкающим к поверхности ЛА, используются пристеночные плоские или выступающие над поверхностью зонды.

При входе ЛА а атмосферу значения силы тока в цепи электрического зонда изменяются на несколько порядков от 5 до 1 10 А.

Согласующее устройство в этом случае должно обеспечить измерения в широком диапазоне с достаточной точностью. Это осуществляется путем разделения полного диапазона измерений на несколько поддиапазонов и выбором соответствующих коэффициентов усиления каждого поддиапазона согласующего устройства. Для получения достаточно полного профиля электронной концентрации по толщине ионизованного слоя согласующее устройство должно быть многоканальным и позволять регистрировать быстроменяющиеся процессы, обусловленные нестационарностью движения исследуемых объектов.

Для учета нестабильности характеристики усилительного канала при изменении окружающих условий в согласующее устройство вводят устройства калибровки тракта и стабилизации напряжения питания зондов.