МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИНСТИТУТ ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИТАЭ)
___________________________________________________________________________________________________________


Направление подготовки: 140700 Ядерная энергетика и теплофизика

Магистерская программа: Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез

Квалификация (степень) выпускника: магистр

Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Магнитоплазменная аэродинамика

Цикл:	профессиональный
Часть цикла:	по выбору
№ дисциплины по учебному плану:	М.2.9.2
Часов (всего) по учебному плану:	108
Трудоемкость в зачетных единицах:	3	2 семестр
Лекции	36 часов	2 семестр
Практические занятия	18 часов	2 семестр
Лабораторные работы
Расчетные задания, рефераты	10 часов самостоят. работы	2 семестр
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)	54 часа
Экзамены
Курсовые проекты (работы)

Москва - 2011

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целями дисциплины являются:

Получение студентами систематизированных знаний в области магнитоплазменной аэродинамике (МПА), использовании плазменных технологий в авиации.

Основными составляющими МПА являются физика газового электрического разряда в высокоскоростном воздушном потоке, стимулированное горение воздушно-топливных смесей в высокоскоростном воздушном потоке, управление воздушным потоком вблизи летящих тел с помощью внешних электромагнитных полей.

Освоение студентами как теоретических основ физики газового разряда, основ газовой динамики с энергоподводом, МГД методов управления потоком и преобразованием энергии высокоскоростного плазменного потока, так и приобретение практических навыков планирования плазмоаэродинамического эксперимента на аэродинамических трубах, использования современной диагностической техники для измерения параметров плазменных образований, газовых потоков, аэродинамических характеристик обтекаемых тел.

Знакомство с современными методами и системами автоматизированного сбора и обработки экспериментальных данных, овладение студентами компьютерными программами выполнения МПА эксперимента.

Освоение инженерных основ расчета высоковольтных источников питания для плазмогенераторов и плазменных актуаторов, систем синхронизации работы импульсно-периодических ВЧ генераторов и диагностической аппаратуры, основ проектирования отрицательных обратных связей для гашения неустойчивостей в плазменных образованиях и высокоскоростном газовом потоке, основ конструирования плазмохимических реакторов.

В процессе выполнения лабораторных работ и посещения научных лабораторий ОИВТ РАН студенты должны познакомиться с современными плазменными и газодинамическими установками, различными типами генераторов плазмы, высоковольтными источниками питания, овладеть современными диагностическими методами измерения параметров высокоскоростных газо-плазменных потоков.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

• 
  к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению социокультурных и социальных условий деятельности (ОК-2);
  
• 
  свободно пользоваться русским и иностранным языками как средством делового общения, способностью к активной социальной мобильности (ОК-3);
  
• 
  использовать на практике навыки и умения в организации научно-исследовательских и научно-производственных работ, в управлении коллективом, влиять на формирование целей команды, воздействовать на ее социально-психологический климат в нужном для достижения целей направлении, оценивать качество результатов деятельности (ОК-4);
  
• 
  самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять своё научное мировоззрение, в том числе с помощью информационных технологий (ОК-6);
  
• 
  вести библиографическую работу с привлечением современных информационных технологий, способностью анализировать, синтезировать и критически резюмировать информацию (ОК-9);
  
• 
  использовать углубленные знания в области естественнонаучных и гуманитарных дисциплин в профессиональной деятельности (ПК-1);
  
• 
  применять современные методы исследования, проводить технические испытания и (или) научные эксперименты, оценивать результаты выполненной работы (ПК- 6);
  
• 
  быть готовым к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями ООП магистратуры) (ПК-7);
  
• 
  способностью оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ПК-8);
  
• 
  использовать современные и перспективные компьютерные и информационные технологии (ПК-9);
  
• 
  применять на практике основ МПА;
  
• 
  выполнять оценки оптимального облика плазмогенератора для управления потоком в конкретной устройстве летательного аппарата (ЛА), его энергетической эффективности;
  
• 
  владеть методами количественной оптической и ИК спектроскопии плазмы, скоростной фоторегистрации быстропротекающих процессов, СВЧ зондирования плазменных образований, измерения полей плотности, температуры и давлений в плазмо- газовом потоке, измерения полей скорости в высокоскоростном в плазмо- газовом потоке с помощью PIV метода;
  
• 
  выполнить измерения параметров плазмы и электрических разрядов;
  
• 
  овладеть современными компьютеризированными средствами проведения спектральных исследований, PIV измерений, проведения измерений поля давлений с помощью быстродействующего коммутатора, обработки полученных скоростных интерферограмм;
  

• 
  анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по МПА;
  
• 
  принимать и обосновывать конкретные методические и технические решения при разработке, создании и эксплуатации плазменных актуаторов для управления газовым потоком;
  
• 
  использовать информацию о новых измерительных средствах и методах в диагностике плазмы и высокоскоростного газового потока (ПК-17).
  

Задачами дисциплины являются:

• 
  познакомить обучающихся с экспериментальными и теоретическими основами МПА;
  
• 
  приобрести практические навыки определения основных параметров низкотемпературной плазмы, газовых потоков, измерения аэродинамических характеристик обтекаемых тел;
  

• 
  дать информацию о современных методах и системах автоматизированного сбора и обработки данных по измерению параметров плазмы и газового потока;
  
• 
  освоить основы физики генераторов плазменных образований, используемых в МПА и познакомиться с их важнейшими научно-техническими применениями.
  

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к дисциплинам по выбору профессионального цикла М.2 программы подготовки магистров «Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез» направления 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика».

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Физика», «Физика плазмы», «Элементарные процессы в плазме».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении программы магистерской подготовки «Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез».

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины студенты должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

• 
  основные источники научно-технической информации (монографии, справочники, журналы, сайты Интернет) по МПА;
  

• 
  основы теории и специфики эксперимента в МПА ;
  

• 
  основные методы диагностики параметров плазмы и высокоскоростных газовых потоков;
  
• 
  основы физики плазменных актуаторов, используемых в МПА.
  

Уметь:

• 
  выполнять теоретические и инженерные оценки энергетической эффективности плазмогенераторов, используемых в МПА, параметров плазменных образований и параметров электрических разрядов, необходимых для управления потоком;
  

• 
  практически применить диагностические методы определения параметров плазменных образований, газовых потоков и параметров обтекания тел в МПА;
  
• 
  использовать автоматизированные программы обработки результатов экспериментальных измерений;
  
• 
  осуществлять литературный поиск, анализировать научно-техническую информацию и уметь выбирать оптимальные решения задач по МПА;
  
• 
  использовать информацию о достижениях в области МПА в практической работе.
  

Владеть:

• 
  навыками дискуссии по вопросам МПА;
  
• 
  терминологией в области МПА;
  
• 
  навыками поиска информации о спектральных свойствах атомов и молекул, различных режимах СВЧ просвечивания плазмы, алгоритмах обработки PIV измерений плазменных потоков;
  
• 
  информацией о технических параметрах современного диагностического оборудования, используемого в МПА;
  
• 
  навыками применения полученной информации при проектировании и изготовлении плазменных актуаторов и источников питания для них.
  

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.

№ п/п	Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации (по семестрам)	Всего часов на раздел	Семестр	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)				Формы текущего контроля успеваемости (по разделам)
				лк	пр	лаб	сам.
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Основные этапы развития и становления МПА. Ключевые эксперименты в МПА.	8	2	4			4	Тест на знание основных терминов
2	Ударные и звуковые волны в однородной слабоионизованной неравновесной плазме	12	2	6			6	Тест: дисперсия звуковых волн в СНП
3	Звуковые и УВ в неоднородной СНП.	12	2	6			6	Тест: основные режимы взаимодействия УВ с СНП
4	Электрический разряд в высокоскоростном газовом потоке. ВЧ и СВЧ разрядов в высокоскоростном газовом потоке	12	2	4			8	Тест: основные параметры электрического разряда и локального плазменного образования
5	Сверхзвуковое обтекание тел с локальными зонами энергоподвода	18	2	4	6		8	Контрольный опрос
6	Сверхкритический и докритический режимы энергоподвода в газовом потоке	18	2	4	6		8	Подготовка реферата
7	Численное моделирование обтекания тел с локальными зонами энергоподвода	26	2	8	6		12	Подготовка отчета
	Зачет	2	2				2
	Итого:	108		36	18		54

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции
1. Основные этапы развития и становления МПА. Ключевые эксперименты в МПА

Введение в магнитоплазменную аэродинамику (МПА). Роль и место МПА в современной науке и технике. Основные этапы развития и становления МПА. Ключевые эксперименты в МПА. Актуальность МПА. Возможные приложения результатов исследований в области МПА в современных технологиях.

2. Ударные и звуковые волны в однородной слабоионизованной неравновесной плазме

Ударные и звуковые волны в слабоионизованной неравновесной плазме (СНП). Дисперсия звуковых волн в однородной СНП молекулярных и атомарных газов. Ускорение ударных волн (УВ) в однородной СНП. Размытие фронта УВ в СНП.

3. Звуковые и УВ в неоднородной СНП

Звуковые и УВ в неоднородной СНП. УВ в кластерной плазме. Отражение УВ от стенки в СНП.

4. Электрический разряд в высокоскоростном газовом потоке. ВЧ и СВЧ разрядов в высокоскоростном газовом потоке

Электрический разряд в высокоскоростном газовом потоке. Характеристики и параметры разряда постоянного тока в газовом потоке. Особенности формирования и горения ВЧ и СВЧ разрядов в высокоскоростном газовом потоке. Особенности формирования и горения электрического разряда вблизи аэродинамической модели в газовом потоке. Отклонение от квазинейтральности и его влияние на характеристики взаимодействия потока с электрическим разрядом.

5. Сверхзвуковое обтекание тел с локальными зонами энергоподвода

Сверхзвуковое обтекание тел с локальными зонами энергоподвода. Физические принципы генерации устойчивых локальных плазменных зон перед летательным аппаратом. Пристеночные эффекты.

6. Сверхкритический и докритический режимы энергоподвода в газовом потоке

Характеристики локальных зон энергоподвода в высокоскоростном воздушном потоке. Сверхкритический и докритический режимы энергоподвода в газовом потоке. Ключевые плазмоаэродинамические и плазмобаллистические эксперименты.

7. Численное моделирование обтекания тел с локальными зонами энергоподвода

Численное моделирование обтекания тел с локальными зонами энергоподвода. Физические принципы МГД и ЭГД преобразования энергии потока. МГД методы управления обтеканием тел. Основные теоретические модели и подходы, используемые в численном моделировании плазмоаэродинамических экспериментов. Сравнение эксперимента и расчета.

4.2.2. Практические занятия

№1. Определение колебательной и поступательной температур в плазме импульсного разряда в высокоскоростном потоке из анализа относительного распределения возбужденных молекул азота.

№ 2. Измерение распределения плотности газового потока методом скоростной оптической интерферометрии

№3. Измерение распределения скорости потока вблизи обтекаемого тела методом PIV.

4.3. Лабораторные работы

Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.

4.4. Расчетные задания

Расчетные задания учебным планом не предусмотрены.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы

Курсовые проекты учебным планом не предусмотрены.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций и видео роликов. Презентации лекций содержат большое количество иллюстративного и информационного материалов.

Практические занятия предусматривают ознакомление с современной диагностической аппаратурой измерения параметров плазмы, электрического разряда и высокоскоростного газового потока.

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и контрольным работам, заслушивание кратких научных сообщений, подготовку его презентации к защите, подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, контрольные работы, устный опрос, презентация реферата, защита курсового проекта (работы).

Аттестация по дисциплине – зачет.

Оценка за освоение дисциплины рассчитывается из условия: 0,3(среднеарифметическая оценка за контрольные и тесты) + 0,3оценка за реферат + 0,4оценка на зачете.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) Основная литература:
1. Ю.П. Райзер Физика газового разряда, М.., Наука, 2009, C.734

2. Г.Н.Абрамович Прикладная газовая динамика. Т.Т.1,2. М.: Наука, 1991.

3. В.Е. Фортов, А. Г. Храпак, И.Т. Якубов Физика неидеальной плазмы, М.: Физматлит,
2004, с.527.

4. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер Физика ударных волн и высокотемпературных газодинамических явлений, М.: Физматгиз, 2008, С.654

5. Сэттон Д., Шермен А. Основы технической магнитной газодинамики, М.: Мир, Наука, 1968, с. 325

б) Дополнительная литература:

1. 
   Ю.П. Райзер. Физика газового разряда., М.: Наука, 1987, с.598
   
2. 
   Ю.Варнатц, У.Маас, Р. Диббл, Горение, физические и химические аспекты, М.: Физматгиз, 2003, с.351
   
3. 
   Труды совещания по Магнитоплазменной аэродинамике, Москва, ОИВТ РАН, 1999- 2011
   

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

1. NIST Atomic Spectra Database Lines Data (https://physics.nist.gov/ cgi-bin/ AtData/main_asd).

2. Пакеты программ обработки молекулярных спектров LIFBASE и SPECAIR.
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и показа учебных фильмов. Для выполнения практических работ необходимо лабораторное оборудование в составе: аэродинамическая труба, оптическая диагностика (спектрограф, ИК –спектрометр, интерферометр, теневой прибор и др.), СВЧ- интерферометр, коммутатор для измерения поля давления в потоке, PIV- система, плазмогенератор и ВЧ источник питания, аэродинамическая модель (крыло, цилиндр и др.) и персональный компьютер для программного управления сбором и обработки информации.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика» и магистерской программы «Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез».
ПРОГРАММУ СОСТАВИЛИ:

д.ф.-м.н. Битюрин В.А.

д.ф.-м.н. Климов А.И.

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой ОФиЯС

д.т.н., профессор Комов А.Т.