ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · СМЕЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Моделирование динамики плазменной струи в лабораторном эксперименте с генератором взрывного типа

В.А. Гасилов1, Н.О. Савенко1, Е.М. Урвачев1,2, Т.В. Лосева2, А.С. Грушин1, Ю.В. Поклад2

1 Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, Москва, Россия
2 Институт динамики геосфер имени академика М. А. Садовского РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.16 УДК 533.9.07 EDN YSHGSB

Аннотация

Представлены результаты моделирования процессов, происходящих при работе взрывного генератора плазменной струи, в газодинамическом приближении с учетом уравнения состояния продуктов взрыва в форме Джонса-Уилкинса-Ли. Рассмотрены два размера генератора и два рабочих материала - алюминий и свинец. Определена суммарная инжектируемая масса и энергия результирующего плазменного образования. Получены временные зависимости плотности, скорости и температуры плазменной струи, проведено сравнение с ранее восстановленным сценарием инжекции на основе лабораторного эксперимента. Показано, что температура свинцовой струи практически на порядок превосходит значения для генератора с алюминием. Сделан вывод о перспективности множественного сценария инжекции для моделирования астрофизических процессов.

  • взрывной генератор плазменной струи
  • уравнения состояния JWL
  • детонация
  • сценарий инжекции
  • лабораторный эксперимент
Abstract (in English)

On the modeling of plasma jet dynamics in laboratory experiments with a pulsed source

The results of modeling the processes occurring during the operation of an explosive-type generator are presented, using a hydrodynamic approximation that accounts for the equation of state of explosion products in the form of the Jones-Wilkins-Lee model. Two generator sizes and two working materials-aluminum and lead-were considered. The total injected mass and energy of the resulting plasma formation were determined. Time-dependent profiles of density, velocity, and temperature of the plasma jet were obtained, and a comparison was made with a previously reconstructed injection scenario based on laboratory experiments. It was shown that the temperature of the lead jet exceeds that of the aluminum generator by nearly an order of magnitude. The conclusion was drawn regarding the promise of a multiple injection scenario for modeling astrophysical processes.

Для цитирования

Гасилов В.А., Савенко Н.О., Урвачев Е.М., Лосева Т.В., Грушин А.С., Поклад Ю.В. Моделирование динамики плазменной струи в лабораторном эксперименте с генератором взрывного типа // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.16

Литература

  1. Blaunstein N., Plohotniuc E. Ionosphere and applied aspects of radio communication and radar. - CRC press, 2008. https://doi.org/10.1201/9781420055177
  2. Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г. Обратная задача радиочастотного зондирования ионосферы // Журнал радиоэлектроники. - 2010. - №. 10. - С. 10.
  3. Пашинцев В.П. и др. Структурно-многолучевой подход к разработке пространственно-временной модели одномодового декаметрового канала связи с диффузной многолучевостью // Журнал радиоэлектроники. - 2022. - №. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.6.3
  4. Galperin I.U.M., Gurevich V.L., Kozub V.I. Thermoelectric effects in superconductors // Zhurnal Eksperimental'noi i Teoreticheskoi Fiziki. - 1974. - Т. 66. - С. 1387-1397.
  5. Sinevich A.A. et al. The Internal structure of a polarization jet/SAID: A stratified polarization jet/SAID // Geomagnetism and Aeronomy. - 2023. - Т. 63. - №. 6. - С. 747-756. https://doi.org/10.1134/S0016793223600583
  6. Mishin E.V. The evolving paradigm of the subauroral geospace // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. - 2023. - Т. 10. - id. 1118758. https://doi.org/10.3389/fspas.2023.1118758
  7. Sinevich A.A. et al. The Polarization Jet/SAID and Plasma Irregularities of Different Scales // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2024. - Т. 88. - №. 3. - С. 375-380. https://doi.org/10.1134/S1062873823705548
  8. Erlandson R.E. et al. The APEX North Star experiment: observations of high-speed plasma jets injected perpendicular to the magnetic field // Advances in Space Research. - 2002. - Т. 29. - №. 9. - С. 1317-1326. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00183-7
  9. Zetser J.I., Poklad Y.V., Erlandson R.E. Active Experiments in the Ionosphere at Altitudes of 140-360 km. Optical Observations Results Reanalysis // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. - 2021. - Т. 57. - №. 5. - С. 745-760. https://doi.org/10.1134/S1069351321050219
  10. Лосева Т.В. и др. Характеристики плазменной струи взрывного генератора в экспериментах "Флаксус": измерения и численное моделирование // Динамические процессы в геосферах. - 2021. - №. 13. - С. 175-186. https://doi.org/10.26006/22228535_2021_1_175
  11. Losseva T.V. et al. Numerical Simulations of the First Stage of Dynamics of a High-Speed Plasma Jet in Fluxus and North Star Active Geophysical Rocket Experiments // Plasma Physics Reports. - 2022. - Т. 48. - №. 10. - С. 1106-1110. https://doi.org/10.1134/S1063780X2260058X
  12. Kiselev Y.N. et al. Investigation of high-speed air jets of an explosive plasma generator // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. - 1986. - Т. 27. - №. 4. - С. 492-495. https://doi.org/10.1007/BF00910188
  13. Киселев Ю.Н., Поклад Ю.В., Ронедественский В.Б., Христофоров Б.Д., Юрьев В.Л. Взрывные источники высокоскоростной плазмы и УФ-излучения. 2-й Всесоюзный симпозиум по радиационной плазмодинамике. Тезисы докладов, ч;1, МГТУ, 1991, с.59-60.
  14. Swenson C.M. et al. CRIT II electric, magnetic, and density measurements within an ionizing neutral stream // Geophysical research letters. - 1990. - Т. 17. - №. 13. - С. 2337-2340. https://doi.org/10.1029/GL017i013p02337
  15. Zakharov Y.P. et al. New type of large-scale experiments for laboratory astrophysics with collimated jets of laser plasma in a transverse magnetic field // Quantum Electronics. - 2019. - Т. 49. - №. 2. - С. 181-186. https://doi.org/10.1070/QEL16884
  16. Zakharov Y.P. et al. On the opportunity of Laser Plasma simulation of Plasma Jets formation in moderate magnetic fields~ kGs // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2021. - Т. 2067. - №. 1. - id. 012021. - C. 5. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2067/1/012021
  17. Беляев В.С. и др. Численное моделирование замагниченных астрофизических джетов и сравнение с лабораторным лазерным экспериментом // Астрономический журнал. - 2018. - Т. 95. - №. 3. - С. 171-192. https://doi.org/10.7868/s0004629918030039
  18. Бескин В.С., Крауз В.И., Ламзин С.А. Лабораторное моделирование струйных выбросов из молодых звёзд на установках с плазменным фокусом // Успехи физических наук. - 2023. - Т. 193. - №. 4. - С. 345-381. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.12.039130
  19. Киселев Ю.Н., Поклад Ю.В., Христофоров Б.Д. Область соударения высокоскоростных плазменных струн свинца-мощный источник жесткого УФ-излучения. 3-й Межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике. Тезисы докладов, "Инженер", 1994, с.28-29.
  20. Лосева Т.В. и др. Начальная стадия развития плазменной струи в активных геофизических ракетных экспериментах // Динамические процессы в геосферах. - 2024. - №. 9. - С. 102-110.
  21. Валько В.В. и др. Уравнения состояния продуктов детонации взрывчатых веществ // Препринты Института прикладной математики им. МВ Келдыша РАН. - 2021. - №. 51. - С. 38. https://doi.org/10.20948/prepr-2021-51
  22. Валько В.В. и др. Моделирование воздушной ударной волны с использованием уравнений состояния продуктов детонации в форме Джонса-Уилкинса-Ли // Математическое моделирование. - 2022. - Т. 34. - №. 4. - С. 3-22. https://doi.org/10.20948/mm-2022-04-01
  23. Gasilov V.A. et al. MARPLE: software for multiphysics modelling in continuous media // Вычислительные методы и программирование. - 2023. - Т. 24. - №. 4. - С. 316-338. https://doi.org/10.26089/NumMet.v24r423
  24. Поклад Ю.В. Взрывные генераторы плазменных струй для экспериментального моделирования и активных геофизических экспериментов: дис. - Ин-т динамики геосфер, 1996.
  25. Erlandson R.E. et al. North star Plasma-jet space experiment // Journal of Spacecraft and Rockets. - 2004. - Т. 41. - №. 4. - С. 483-489. https://doi.org/10.2514/1.11943
  26. Адушкин В.В. и др. Активные эксперименты" Флаксус 1, 2": исследование взаимодействия плазменной струи с геофизической средой на высоте 140 км // ДАН РФ. - 1998. - Т. 361. - №. 6. - С. 818-821.
  27. Chemezov D.A. Description of library materials software package ANSYS AUTODYN // ISJ Theoretical & Applied Science. - 2014. - Т. 16. - №. 8. - С. 4-23. http://dx.doi.org/10.15863/TAS.2014.08.16.2
  28. Savenko N.O. et al. Numerical Simulation of Plasma Jet Expansion in a Laboratory Experiment // Plasma Physics Reports. - 2025. - Т. 51. - №. 6. - С. 697-707. https://doi.org/10.1134/S1063780X25602755
  29. Савенко Н.О., Урвачев Е.М. Численное моделирование высокоскоростных плазменных струй при произвольном угле инжекции // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2025. № 28. 21 с. EDN: QJIUBT
  30. Bdzil J.B., Stewart D.S. The dynamics of detonation in explosive systems // Annu. Rev. Fluid Mech. - 2007. - Т. 39. - №. 1. - С. 263-292. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.38.050304.092049
  31. Lee E., Finger M., Collins W. JWL equation of state coefficients for high explosives. - Lawrence Livermore National Lab.(LLNL), Livermore, CA (United States), 1973. - №. UCID-16189.
  32. Горбатенко А.А. Анализ уравнения состояния продуктов детонации JWL // Молодежный научно-технический вестник. - 2012. - №. 3. - С. 11.
  33. Медин С.А., Паршиков А.Н. Использование уравнения состояния jwl и макрокинетического уравнения разложения вв в методе sph // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. - 2012. - Т. 13. - №. 4. - С. 6.
  34. Герасимов С.И. и др. Скорость детонации пиротехнического состава ВС-2 и параметры уравнения состояния продуктов его взрыва в форме Джонса-Уилкинса-Ли // Физика горения и взрыва. - 2022. - Т. 58. - №. 2. - С. 100-108. https://doi.org/10.15372/FGV20220211
  35. Nikiforov A.F., Novikov V.G., Uvarov V.B. Quantum-statistical models of hot dense matter: methods for computation opacity and equation of state. - Basel: Birkhäuser Basel, 2005.
  36. Vichev I.Y. et al. On certain aspects of the THERMOS toolkit for modeling experiments // High Energy Density Physics. - 2019. - Т. 33. - id. 100713. - C. 7. http://dx.doi.org/10.1016/j.hedp.2019.100713.
  37. Popel S.I. et al. Shock waves in charge-varying dusty plasmas and the effect of electromagnetic radiation // Physics of Plasmas. - 2000. - Т. 7. - №. 6. - С. 2410-2416. http://dx.doi.org/10.1063/1.874079
  38. Лосева Т.В., Попель С.И., Голубь А.П. Пылевые ионно-звуковые ударные волны в лабораторной, ионосферной и астрофизической плазме // Физика плазмы. - 2020. - Т. 46. - №. 11. - С. 1007-1025. https://doi.org/10.31857/S0367292120110049
  39. Pfaff R.F. et al. Electric field, magnetic field, and density measurements on the active plasma experiment sounding rocket // Journal of spacecraft and rockets. - 2004. - Т. 41. - №. 4. - С. 521-532. https://doi.org/10.2514/1.11945
  40. Корсунская Ю.А., Панкова М.В. Влияние жесткого рентгеновского и гамма излучений солнца на ионосферу земли и другие процессы в геосферах. Часть III. Ночная область // Динамические процессы в геосферах. - 2021. - №. 13. - С. 166-175. https://doi.org/10.26006/22228535_2021_1_166
  41. Losseva T.V. et al. Numerical Simulation of the Interaction of High-Velocity Plasma Jets Injected in the Earth's Ionosphere // Plasma Physics Reports. - 2023. - Т. 49. - №. 8. - С. 991-999. https://doi.org/10.1134/S1063780X23600810
  42. Rousskikh A.G. et al. Radiographic investigation of metal-puff plasma jets generated by vacuum arcs // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2018. - Т. 46. - №. 10. - С. 3487-3492. https://doi.org/10.1109/TPS.2018.2849205
  43. Lobok M.G., Brantov A.V., Bychenkov V.Y. Shielded radiography with gamma rays from laser-accelerated electrons in a self-trapping regime // Physics of Plasmas. - 2020. - Т. 27. - №. 12. https://doi.org/10.1063/5.0028888