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Submitted on 1 Jan 1971
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ACCELERATION PAR CHAMPS CROISES D’UN PLASMA D’ARGON EN ECOULEMENT
SUPERSONIQUE
Bernard Fontaine, Bernard Forestier
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Bernard Fontaine, Bernard Forestier. ACCELERATION PAR CHAMPS CROISES D’UN PLASMA D’ARGON EN ECOULEMENT SUPERSONIQUE. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-60-C5b-61. �10.1051/jphyscol:1971575�. �jpa-00214794�
C5b-60
ACCELERATION PAR CHAMPS CROISES D'UN PLASMA D'ARGON EN ECOULEMENT SUPERSONIQUE
Bernard Fontaine et Bernard Forestier
Institut de Mécanique des Fluides - 1 rue Honnorat - 13 MARSEILLE (3e)
Résumé. - L'étude expérimentale est faite en tube à choc. Les densités volumiques et électroniques sont mesurées en cours d'accélération par interférométrie Michelson et interférométrie laser dans l'infrarouge. Une étude théorique en régime stationnaire est également présentée tenant compte des effets de gaz réel. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec cette théorie pour n et n à l'équilibre.
e a
Abstract. - Expérimental investigations are carried out with a shock tube. Atom and électron number densities are measuredduring accélération by both Michelson interferometry and infrared laser interferometry. Theoretical study with stationary flow hypothesis is pre- sented with account for real gaz effects. There is a good agreement beetwen expérimental and theoretical results for equilibrium values of n and n .
a e L'étude expérimentale est réalisée dans une
tuyère à section constante (4,5 x 4,5 cm ) et à électrodes équipotentielles, alimentée par l'écou- lement supersonique produit par la propagation d'une onde de choc (M = 10,5) dans de l'argon
(p. = 5 torrs). A l'entrée de la zone d'interaction les conditions initiales sont : T = 101* °K, p = 5 ÎO1* pascals, n - 0,8 102 2 m"3, n = 0,7 ÎO2** m~3, U =» 2600 m/s. Le plasma est soumis à l'action de champs électriques (E. = 12000v_m ') et magnétiques (B = 1 , 3 T) orthogonaux et perpendiculaires à l'écoulement. Les électrodes ont 1 cm de longueur ce qui correspond à une zone d'interaction de 2 cm, compte tenu du facteur de correction géométrique.
Les mesures effectuées comprennent principa- lement, au niveau de la tuyère accélératrice, l'en- registrement des paramètres électriques (V,I) de l'interaction ainsi que la détermination des den- sités aussi bien volumiques qu'électroniques et de la vitesse de l'écoulement.
L'évolution au cours du temps de la tension aux bornes des électrodes est enregistrée sur oscilloscope. Elle permet tout d'abord de mesurer la valeur du champ électrique induit UB et, ensuite, la valeur du champ résultant, après l'application du champ électrique opposé, application faite a un instant tel que le plasma ait atteint l'équilibre d'ionisation. La détermination de l'intensité du courant est réalisée à partir de la mesure de la tension aux bornes d'une résistance étalonnée. Le courant peut atteindre 30 000 A dans les conditions d'accélération maximales.
La détermination de la vitesse de l'écoulement
peut se faire par visualisation des discontinuités d'indice de réfraction par strioscopie. Une telle mesure a déjà été faite par les auteurs [l] Une méthode de diagnostic plus complète a été mise au point. On mesure par interférométrie à deux lon- gueurs d'onde les valeurs de n et n et leur
a e évolution. Un interfêromètre à grand champ (0 = 10 cm) de type Michelson utilisant comme source lumineuse un laser ionique en régime d'im- pulsion longue (50 watts pendant 300 Us \_l\ permet de suivre l'évolution de l'indice de réfraction du plasma. Les interférogrammes (x, t) sont enregis- trés â l'aide d'un convertisseur d'image, on uti- lise une fente horizontale parallèle à la direction de l'écoulement et un filtre interférentiel
(AX = 100 Â) pour éliminer la lumière propre du plasma. Au cours de l'interaction on enregistre des variations maximales de l'ordre de 2,5 franges avec une précision de ± 0,1 frange. Il est prévu d'amé- liorer la précision en utilisant une longueur d'onde du proche ultra-violet émise par un laser ionique.
Parallèlement la densité électronique est mesurée par interférométrie laser dans l'infrarouge (A = 3,39u) [3j en un point dont on peut faire va- rier la position. De ces deux mesures on déduit, par les relations classiques [f>], si l'on suppose le plasma électriquement neutre, les valeurs de la densité volumique et de la densité électronique.
L'évolution théorique de la valeur des para- mètres caractéristiques de l'écoulement pendant l'interaction est déterminée par l'intégration numérique par pas d'un système formé par les équa- tions d'Hugoniot, de Maxwell-Ampère et de Saha
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971575
A C C E L E R A T I O N P A R C H A M L - d CROISES D'UN P L A S M A D'ARGON
auxquelles on ajoute la loi d'état et les relations définissant l'enthalpie et la conductivité du plasma [5J
.
On suppose principalement que i'écou- lement est stationnaire, unidimensionnel, en équi- libre thermodynamique et non visqueux. On tient compte enfin, des effets de gaz réel. Un exemple des résultats numériques obtenus est présenté fig. 1 en ce qui concerne les variations de na' ne et u en fonction de la position dans ?a :....- d'in- teraction. Les valeurs théoriques de n et n à la sortie de la zone d'interaction sont présentées fig.
2 et 3, en même temps que les valeurs mesurées. On observe un bon accord entre cette théorie et l'expé- rience en ce qui concerne la densité atomique et la densité électronique à l'équilibre. Sur la fig. 3 on a présenté les valeurs de n après atteinte d'un régisseur stationnaire en fonction de E. pour dif- férentes valeurs de la distance du point de mesure au centre de la zone d'interaction. Cette courbe montre l'existence d'une relaxation d'ionisation de l'ordre de 10 cm.
[l] B. FONTAINE et al. C.R.A.S. 1970, 271B,93 [2] B. FONTAINE et al: C.R.A.S. 1969, 268A,242 [3] B. FONTAINE et a1.C.R.A.S. 1967, 265B.1230 143 R.A. ALPHER et D.R. WHITE - Phys. Fluids
Des expériences de décharges pures ont égale- ment été effectuées.
Dans ce cas les phénomènes observés sont très différents. Le chauffage est beaucoup plus important.
Pour de très fortes décharges 1 2 20 000 A on obser- ve la formation d'un choc réfléchi dans l'écoulement, choc qui remonte en amont de la zone d'interaction en ionisant fortement le gaz qui le traverse.
L'observation d'un tel choc est en accord avec les calculs effectués par Sardei [6] .
BIBLIOGRAPHIE
1959, 2, 16 2
[5] B. FORESTIER et al. C.R.A. S. 1970,=, 198 [6] F. SARDE1 - A paraître 8e Int. Shock Tube
Symposium ,Londres 5-8 Juillet 1971
