Ученые из Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (СФ ФИАН) исследовали структуру ударных волн в неравновесной среде. Одним из практических приложений результатов этих исследований может стать снижение негативного воздействия ударных волн на сверхзвуковые летательные аппараты. Такие волны образуются около корпуса "железных птиц" во время их полета в атмосфере.
Ударная волна - это распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и температуры вещества. Такие волны возникают при взрывах, детонации, сверхзвуковых движениях тел, мощных электрических разрядах и т.п. При движении самолетов или ракет со сверхзвуковыми скоростями ударные волны образуются около их корпуса, оказывая при этом прямое воздействие, как на подъёмную силу летательных аппаратов, так и на силу их сопротивления. Также летательные аппараты при полете в атмосфере сильно нагреваются из-за трения о воздух. Но оказывается, что в неравновесных средах и действие ударных волн, и негативное воздействие трения уменьшаются. Группа ученых из Самарского филиала ФИАНа решила прояснить природу этого интересного явления.
"Мы далеко не первые, кто начал заниматься изучением структуры ударных волн в неравновесной среде. Первые экспериментальные работы в этой области проводились группой ученых под руководством доктора физ.-мат. наук Анатолия Климова (ИВТАН) еще в 80х годах. Они исследовали поведение ударной волны при прохождении её через область образования плазмы. Затем этим направлением заинтересовались многие научные группы в США и Европе, в том числе и наша группа", - рассказывает руководитель работы, зав. теоретическим сектором СФ ФИАН, доктор физ.-мат. наук Нонна Молевич.
В 2005 году к группе ученых под руководством Нонны Молевич присоединился студент Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королёва (в настоящее время аспирант первого года) - Ринат Галимов. В частности, Ринат сумел выявить и классифицировать все возможные профили ударных волн в зависимости от степени неравновесности среды и их скорости, а также показать, каким образом новые акустические свойства неравновесной среды меняют структуру возмущения в виде ударной волны. За проделанную работу молодой ученый в конце апреля этого года получил медаль Российской академии наук.
"Изучение акустики неравновесных сред является ключевым этапом в процессе исследования происходящих в них явлений. Дело в том, что акустика неравновесных сред существенно отличается от акустики равновесных. Так, например, течения, которые для равновесного газа были устойчивыми, для неравновесного газа могут оказаться неустойчивыми", - объясняет Ринат Галимов.
В своей работе самарские фиановцы рассматривали такой пример неравновесной среды, как колебательно-возбужденный газ. Исследовав поведение этого газа, ученые выявили, что структура ударных волн в неравновесной среде действительно существенно отличается от структуры аналогичных волн в равновесном газе. Также было обнаружено, что во время распада слабых ударных волн образуется последовательность импульсов, которые, например, в лазерной среде могут сильно влиять на качество лазерного излучения. Еще одним выявленным фактором, оказывающим влияние, например, на силу сопротивления при сверхзвуковом движении тел, стал тот факт, что давление за фронтом ударной волны в неравновесном газе значительно слабее, чем в равновесном (при одинаковых скоростях в обоих случаях).
"Очень важно разобраться во всех деталях изменений сопротивления и структуры ударной волны. Без этого невозможно перейти к практическому применению идеи создания "плазменной оболочки" гиперзвукового самолёта 5 поколения, то есть включения в систему управления самолетом технологии искусственно создаваемого потока неравновесной плазмы на крыле. Управляя этим потоком с помощью магнитного поля, можно будет управлять и самим самолетом, но для этого нужно создать поток плазмы в нужном месте и с нужными свойствами. Результаты нашей работы должны помочь практикам в воплощении идеи такой оболочки", - делится Ринат.
"Работы над созданием плазменной оболочки ведутся уже больше 20 лет. Одной из основополагающих работ в этой области является открытие в конце 80х годов аномального обтекания тел в слабоионизированной неравновесной плазме группой российских ученых с участием А.И. Климова. Это можно назвать стартом зарождения новой науки - плазменной аэродинамики. Сейчас эта наука активно развивается - ежегодно проходят конференции в России, в США и Европе, в работе которых наш коллектив принимает активное участие", - комментирует Нонна Молевич.
В настоящее время самарские физики занялись исследованием структуры ударной волны в химически активных смесях, параллельно развивая единый подход к описанию возмущений в неравновесных средах различного типа. Также у работы нашлись интересные астрофизические приложения. Оказалось, что такой подход применим и к исследованию неравновесного межзвездного газа, поэтому работа в этом направлении может пролить свет и на природу некоторых астрофизических явлений.
АНИ «ФИАН-информ»
