Влияние неоднородностей поршня и облучения на формирование гиперзвуковой ударной волны в лазерной ударной трубе

Цели. Цель исследования – изучение влияния неоднородностей интенсивности лазерного излучения и толщины поршня (лавсановой пленки) на формирование гиперзвуковых потоков в лазерной ударной трубе (ЛУТ), сравнение условий формирования и динамики распространения ударных волн (УВ) в ЛУТ в случаях «открытой» и «закрытой» плазменной короны.

Методы. Методы математического моделирования, анализ результатов вычислительных экспериментов, выполненных с помощью двумерной лагранжевой программы Atlant_C в цилиндрических координатах.

Результаты. Представлены результаты четырех серий расчетов динамики гиперзвуковых УВ в ЛУТ: 1) формирование и распространение УВ в профилированной мишени; 2) формирование и распространение УВ при сильной неоднородности падающего лазерного потока; 3) сравнение динамики УВ при различных значениях поглощенной энергии лазерного импульса и толщинах мишени (поршня); 4) сравнение динамики гиперзвуковых УВ с данными экспериментов в случаях «открытой» и «закрытой» плазменной короны.

Выводы. На основании данных вычислительных экспериментов можно сделать следующие выводы: 1) по мере распространения сильной УВ в профилированном поршне происходит выравнивание давления и плотности в поперечном направлении. Если длительность лазерного импульса заметно больше, чем время прохождения поперечных УВ в мишени (поршне), то в газе внутри ячейки ЛУТ происходит выполаживание фронта УВ; 2) в том случае, когда в падающем лазерном импульсе имеются значительные выбросы интенсивностей излучения – спеклы (~10% от энергии импульса), в ускоренном поршне формируются струи, которые в газе могут обгонять фронт УВ; 3) при лазерном нагреве мишени в режиме «закрытой» короны скорость поршня в ЛУТ возрастает примерно на 40%; 4) при разрушении поршня из-за сильной неоднородности об  лучения или развития гидродинамической неустойчивости и фрагментации полимерной СН-пленки, может формироваться плотный турбулентный слой, который будет также создавать УВ в газе.

1. Басов Н.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б. Физика лазерного термоядерного синтеза. М.: Знание; 1988, 176 с.

2. Невмержицкий Н.В., Разин А.Н., Козлов В.И. Гидродинамические неустойчивости в мишенях инерциального термоядерного синтеза: монография. Саров: РФЯЦ ВНИИЭФ; 2024, 416 с. ISBN 978-5-9515-0558-3

3. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматлит; 2008, 652 с. ISBN 978-5-9291-0938-3

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. Гидродинамика. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.; 1986, 736 с.

5. Лебо И.Г., Тишкин В.Ф. Исследование гидродинамической неустойчивости в задачах лазерного термоядерного син теза. М.: Физматлит; 2006, 304 с. ISBN 5-9221-0683-X

6. Брагин М.Д., Гуськов С.Ю., Змитренко Н.В., Кучугов П.А., Лебо И.Г., Левкина Е.В., Невмержицкий Н.В., Синькова О.Г., Стаценко В.П., Тишкин В.Ф., Фарин И.Р., Янилкин Ю.В., Яхин Р.А. Экспериментальное и численное исследование динамики развития неустойчивости Рэлея – Тейлора при числах Атвуда близких к единице. Математическое моделирование. 2023;35(1):59–82. https://doi.org/10.20948/mm-2023-01-05, https://elibrary.ru/qfskuw

7. Craxton R.S., Anderson K.S, Boehly T.R., et al. Direct drive inertial confinement fusion: A review. Phys. Plasmas. 2015;22(1):110501. https://doi.org/10.1063/1.4934714

8. Лебо И.Г. Численное моделирование экспериментов по взаимодействию мощных ультрафиолетовых импульсов с конденсированными мишенями. Russian Technological Journal. 2023;11(3):86–103. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2023-11-3-86-103

9. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука; 1992, 422 с. ISBN 5-02-014577-7

10. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука; 1982, 391 с. https://elibrary.ru/xqocjj

11. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука; 1976, 400 с.

12. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука; 1990, 616 c. ISBN 5-02-014576-9

13. Лебо И.Г., Обручев И.В. Моделирование двумерных вихревых течений в цилиндрическом канале с помощью параллельных вычислений на суперкомпьютере. Russian Technological Journal. 2022;10(1):60–67. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-1-60-67

14. Зворыкин В.Д., Лебо И.Г. Применение мощного KrF-лазера для исследования сверхзвуковых течений газа и развития гидродинамических неустойчивостей в слоистых средах. Квантовая электроника. 2000;30(6):540–544.

15. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. М: Физматлит; 2005, 316 с. ISBN 5-9221-0120-X

16. Zvorykin V.D., Lebo I.G. Laser and Target Experiments on KrF GARPUN laser installation at FIAN. Laser Part. Beams. 1999;17(1):69-88. https://doi.org/10.1017/S0263034699171064

17. Richtmyer R.D. Taylor instability in shock acceleration of compressible fluids. Commun. Pure Appl. Math. 1960;13(2): 297–319. https://doi.org/10.1002/cpa.3160130207

18. Мешков Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемой ударной волной. Известия АН СССР. Сер. Механика жидкости и газа. 1969;5:151–158. URL: https://mzg.ipmnet.ru/ru/get/1969/5/151-158. Дата обращения 12.09.2025.

19. Алешин А.Н., Зайцев C.Г., Лазарева Е.В., Гамалий Е.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б. Исследование линейной, нелинейной и переходной стадий развития неустойчивости Рихтмайера – Мешкова. Докл. АН СССР. 1990;310(5):1105–1108.

20. Зворыкин В.Д. Динамика гиперзвуковых ударных волн, генерируемых при лазерном ускорении тонкопленочных мишеней в лазерной ударной трубе и в свободном пространстве. Письма в ЖЭТФ. 2025;122(5-6):344–350. https://www.elibrary.ru/xuqtzo