Российские учёные разработали основы «плазменного управления» сверхзвуковыми летательными аппаратами

Группа российских учёных из Санкт-Петербургского государственного университета и Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ разработала теоретическую модель для описания условий формирования плазмы СВЧ-разрядов в молекулярных газах, что открывает путь к управляемому аэродинамическому полёту на сверхзвуковых скоростях в атмосфере Земли и других планет.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

При движении в плотных слоях атмосферы сверхзвуковое воздушное судно или космический спускаемый аппарат омывается потоками газа на сверхвысоких скоростях. Очевидно, что управляемое изменение плотности газа по курсу судна приведёт к его отклонению в ту или иную сторону. Сделать этот процесс управляемым означает добиться возможности управлять направлением полёта или, по крайней мере, повысить его устойчивость, а значит, безопасность.

Как известно, вблизи движущихся со сверхзвуковой скоростью летательных аппаратов возникают зоны точечного нагрева и изменения плотности газа. Для контроля движения аппарата необходимо уметь управлять потоками нагретого газа. Это возможно сделать с помощью заряженных газовых областей — плазменных структур, которые с помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) разрядов будут формироваться на некотором расстоянии от поверхности летательного аппарата.

При этом СВЧ-разряд может возникнуть в двух режимах — в виде диффузного облака заряжённых частиц, либо в виде нитевидного разряда. Нетрудно догадаться, что нитевидный разряд приводит к наибольшему нагреву газа, как более плотное образование, что, в свою очередь, оказывает наибольшее воздействие на плотность набегающего воздушного потока. Плотность воздуха перед аппаратом снижается и это облегчает его движение в атмосфере.

Учёные создали модель для описания физики явления. «Моделирование показало, что диффузный разряд сначала вытягивается в виде “облака” заряжённых и возбуждённых частиц, а затем переходит в форму нитевидного плазмоида — более плотного “сгустка”. При таком переходе резко возрастает концентрация заряжённых частиц преимущественно вдоль центральной оси плазмоида», — говорится в отчёте по работе, опубликованной в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Согласно модели, температура плазмоида увеличивается по мере его роста от 185 °С до 830 °С за 10–15 мкс. Это объясняется тем, что при взаимодействии возбуждённых частиц азота выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева газа, что также снижает его плотность. Азот был выбран для моделирования по той причине, что это один из основных компонентов земной атмосферы. При включении в модель молекул кислорода, кстати, процесс ускорялся ещё на 4 мкс. В дальнейшем учёные более плотно займутся влиянием молекул кислорода на формирование СВЧ-разрядов.

Результат моделирования: распределение электрического поля в СВЧ-антенне. Источник изображения: Saifutdinov and Kustova / Plasma Sources Science and Technology, 2023.

«Предложенная модель интересна как с фундаментальной точки зрения, поскольку позволяет описать, как меняются параметры СВЧ-разрядов, и воспроизвести их различные формы, так и с прикладной, потому что помогает прогнозировать оптимальные условия для снижения плотности газа в сверхзвуковых потоках. Это даст возможность управлять скоростью и направлением движения летательных аппаратов, а значит, снизить вероятность их крушения», — пояснил участник проекта доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ Алмаз Сайфутдинов.

Когда-нибудь на сверхзвуковых самолётах появятся формирующие плазменные разряды накладки, экономящие топливо и повышающие управляемость судами, что сегодня кажется образом будущего. Останется только придумать антигравитацию. Но это уже другая история.