КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-10083

НазваниеЭкспериментальное исследование теплообмена высокотемпературных материалов при комбинированном воздействии высокоэнтальпийного газового потока и лазерного излучения

РуководительЧаплыгин Алексей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые словаиндукционный ВЧ-плазмотрон, импульсный волоконный лазер, теплообмен, тепловая защита, плазма, термохимическая стойкость, спускаемый аппарат, высокоэнтальпийный газовый поток, каталитическая рекомбинация атомов, комбинированный нагрев, тепловой поток, оптическая пирометрия, азот, углекислый газ

Код ГРНТИ30.17.35

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На фоне возрастающего интереса к исследованиям Марса и других планет Солнечной системы с применением автоматических и пилотируемых космических аппаратов актуальными становятся вопросы лабораторных испытаний высокотемпературных материалов в условиях, моделирующих натурное термохимическое воздействие высокоэнтальпийного газового потока на поверхность аппарата при входе в атмосферу. Особое значение приобретает задача экспериментального моделирования участков траектории, на которых реализуются максимальные тепловые потоки к поверхности. В лабораторной практике для решения этой задачи широко применяются высокочастотные индукционные плазмотроны, которые позволяют проводить продолжительные эксперименты в до- и сверхзвуковых струях плазмы различных газов. В этих установках, благодаря индукционному нагреву и отсутствию контакта плазмы со стенкой разрядного канала, потоки плазмы являются химически чистыми, что позволяет моделировать термохимическое взаимодействие газовых потоков с поверхностью, включая процессы абляции, окисления и катализа. Основным недостатком существующих в настоящее время индукционных плазмотронов для моделирования условий спуска в атмосфере является существенно меньшая единичная мощность, чем у электродуговых плазмотронов, что обусловлено существенно более высокой сложностью высокочастотных генераторов по сравнению c источниками питания электродуговых установок, причём это положение дел вряд ли изменится в прогнозируемом будущем. Данный недостаток может быть нивелирован использованием радиационных методов нагрева поверхности, что позволит повысить максимальный результирующий тепловой поток. Применение дополнительных источников радиационного нагрева также расширяет границы моделирования в струях высокочастотных плазмотронов для условий посадки в атмосфере Марса, где существенный вклад в тепловой режим спускаемого аппарата вносит лучистый теплообмен. Новизна предлагаемого проекта состоит в реализации на 100-киловаттном высокочастотном индукционном плазмотроне ИПМех РАН ВГУ-4 комбинированного нагрева поверхности образцов материалов струями высокоэнтальпийных газов (азота, углекислого газа и смесей этих газов) и лазерным излучением. В проекте планируется провести модернизацию установки ВГУ-4, оснастив её импульсным волоконным лазером. Будут отработаны методики испытаний высокотемпературных материалов в струях высокоэнтальпийных газов (азота, углекислого газа и их смеси) при дополнительном нагреве лазерным излучением. Планируется исследовать теплообмен различных материалов: металлов, низкотеплопроводных теплозащитных плиток, углеродных и карбидокремниевых материалов, ультравысокотемпературных керамик при различных режимах комбинированного нагрева поверхности струями плазмы и микронным лазером. На образцах углеродных материалов планируется реализовать сверхвысокую (более 3700 К температуру) и исследовать их абляцию. Планируется исследовать абляцию углеродного материала в безатомарном пототке азота (для режимов с низким энерговкладом в плазму) при дополнительно нагреве поверхности лазерным излучением. Наряду с исследованием теплообмена и термохимической стойкости будет проведена диагностика струй плазмы для соответствующих режимов и определены основные параметры набегающего высокоэнтальпийного потока газа, создаваемого установкой ВГУ-4. При успешной реализации проекта в России впервые будет создана установка, позволяющая проводить исследования высокотемпературных материалов при комплексном воздействии на их поверхность до- или сверхзвуковых химически активных струй высокоэнтальпийных газов и лазерного излучения.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет создана возможность проведения нового класса экспериментов по исследованию теплообмена материалов в условиях комбинированного воздействия на поверхность высокоэнтальпийного газового потока (плазмы азота, углекислого газа или их смеси) и лазерного излучения. Россия получит уникальные компетенции в области подобных исследований. Будут разработаны методики испытаний высокотемпературных материалов в условиях комбинированного нагрева высокоэнтальпийным газовым потоком и лазерным излучением, критически значимые для задач создания тепловой защиты космических аппаратов, предназначенных для посадки в атмосфере Марса и других планет Солнечной системы. Будут получены новые экспериментальные данные о теплообмене и термохимической стойкости высокотемпературных материалов (углеродных и карбидокремниевых материалов, ультравысокотемпературных керамик, низкотеплопроводной плиточной тепловой защиты), эти данные в дальнейшем могут быть востребованы ведущими организациями авиационно-космической отрасли при решении задач проектирования тепловой защиты возвращаемых космических аппаратов, а также при создании новых перспективных высокотемпературных материалов. За счет комбинированного нагрева планируется получить на поверхности образцов углеродных материалов сверхвысокие (более 3700 К) температуры, данный результат в случае успешной реализации будет являться рекордным для условий индукционных ВЧ-плазмотронов в России и мире. Учитывая сохраняющийся приоритет России в области испытаний материалов в струях мощных ВЧ-плазмотронов, предполагаемые результаты будут полностью соответствовать мировому уровню исследований, а по ряду параметров превосходить результаты, достигнутые в ведущих научных центрах Европы, США и Китая.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В состав ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 включен иттербиевый лазер YPLN-1-100-200-R мощностью 200 Вт. В нижнем интерфейсе разрядного канала ВЧ-плазмотрона установлен новый формирователь потока газа с кварцевым окном, что позволяет наводить лазерный луч на поверхность образца соосно воздействующей на него струе плазмы. Собрана внешняя оптическая система, формирующая пятно облучения с известным распределением интенсивности. Выбраны методы измерения температуры поверхности, нагреваемой потоками плазмы азота или углекислого газа и источником лазерного излучения. С помощью трубки Пито измерены скоростные напоры в дозвуковых струях плазмы углекислого газа и азота. Получены зависимости скоростных напоров на оси струи от давления в барокамере установки, мощности ВЧ-генератора плазмотрона и расстояния до выходного сечения разрядного канала. С помощью калориметрических датчиков в дозвуковых струях плазмы азота измерены тепловые потоки к холодным поверхностям эталонных высоко- и низкокаталитических материалов. Использовались датчики из меди и кварца. Получены зависимости тепловых потоков от мощности ВЧ-генератора плазмотрона, давления в барокамере установки и расстояния до выходного сечения разрядного канала. Калориметром с тепловоспринимающей поверхностью из графита измерены тепловые потоки в области критической точки цилиндрической модели при воздействии лазерного излучения и при комбинированном воздействии дозвуковой струи плазмы азота и лазерного луча. Установлено, что для выбранных режимов дозвуковая струя плазмы азота и индукционный высокочастотный разряд не оказывают заметного влияния на проходящий через них лазерный луч. Для условий экспериментов в ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 проведено численное моделирование течения плазмы азота и углекислого газа, включавшее решение двух задач: 1) численное моделирование дозвуковых течений плазмы азота и углекислого газа в цилиндрическом кварцевом разрядном канале; 2) численное моделирование дозвукового течения плазмы азота в струе, истекающей из разрядного канала в пространство испытательной камеры установки ВГУ-4 и обтекающей цилиндрическую модель с плоским носком. Расчет течений равновесной плазмы азота и углекислого газа проводился на основе уравнений Навье-Стокса. Уравнения Навье-Стокса решались методом Патанкара-Сполдинга. Получены значения энтальпии, скорости и температуры в дозвуковых струях плазмы азота и углекислого газа. Проведены эксперименты по нагреву низкотеплопроводного материала с черным низкокаталитическим покрытием лазерным излучением и в потоке плазмы азота при дополнительном воздействии лазерного излучения. Цилиндрический образец из материала теплозащитной плитки орбитального корабля "Буран" подвергался воздействию дозвуковой плазменной струи чистого азота и лазерного излучения. Температура поверхности образца при комбинированном радиационно-конвективном нагреве достигла 1600 К. Успешно продемонстрирована возможность комбинированного нагрева в установке ВГУ-4. Начаты эксперименты по нагреву образцов ультравысокотемпературной керамики на основе HfB2-SiC в сверхзвуковых струях плазмы углекислого газа. С целью получения сверхвысоких температур проведены эксперименты по нагреву цилиндрических образцов из графита МПГ-7 в дозвуковых струях плазмы азота с одновременным воздействием на поверхность лазерного излучения. Применение импульсного иттербиевого волоконного лазера в качестве дополнительного источника радиационного нагрева позволило увеличить температуру поверхности образца в области лобовой точки на 150 градусов, при этом максимальная температура превысила 3500 К. Начата отработка режимов экспериментов по комбинированному нагреву образцов из карбида кремния (SiC).

 

Публикации

1. Васильевский С.А., Галкин С.С., Колесников А.Ф., Котов М.А., Лукомский И.В., Соловьев Н.Г., Тептеева Е.С., Чаплыгин А.В., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю. Исследование режимов теплообмена в дозвуковых струях диссоциированного азота высокочастотного индукционного плазмотрона при дополнительном нагреве поверхности лазерным излучением Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа, - (год публикации - 2023)

2. Торчик М.В., Котов М.А Краткий обзор развития инструментов для вычисления параметров излучения абсолютно черного тела Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 23, выпуск 4 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.33257/PhChGD.23.4.1004

3. Чаплыгин А.В., Котов М.А., Якимов М.Ю., Лукомский И.В., Галкин С.С., Колесников А.Ф., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г. Combined Surface Heating by Laser Beam and Subsonic Nitrogen Plasma Jet Fluids, Том 8, Выпуск 1, Номер статьи 11 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/fluids8010011

4. Чаплыгин А.В., Котов М.А., Якимов М.Ю., Галкин С.С. Комбинированный нагрев поверхности потоком плазмы и лазерным излучением в лабораторных испытаниях материалов тепловой защиты Авиация и космонавтика: тезисы 21ой международной конференции, стр. 493-494 (год публикации - 2022)

5. Чаплыгин А.В., Котов М.А., Якимов М.Ю., Лукомский И.В., Галкин С.С., Колесников А.Ф., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г. Демонстрационные эксперименты по совмещенному нагреву струей азотной плазмы и лазерным пучком Волны и вихри в сложных средах: сборник материалов 13-ой международной конференции - школы молодых ученых, стр. 274-277 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В дозвуковых струях плазмы азота, углекислого газа и воздуха установки ВГУ-4 исследован теплообмен и поведение образцов из спеченного карбида кремния (SiC). Выполнен анализ поверхности образцов SiC, исследован фазовый состав до и после воздействия высокоэнтальпийного газового потока. Показано существенное влияние химического состава потока на поведение материала. Исследована излучательная способность поверхности материала. Получены значения эффективного коэффициента рекомбинации атомов и молекул на поверхности материала. Выполнено численное моделирование течений, измерены тепловые потоки и динамические давления в дозвуковых струях плазмы для условий проведенных экспериментов. Исследовано воздействие на спеченный карбид кремния дозвуковых потоков плазмы углекислого газа и чистого азота в сочетании с дополнительным лазерным излучением. Сравнивались микроструктура и профили поверхности образцов SiC до и после различных вариантов воздействия. Выявлены особенности поверхности в областях максимальной интенсивности лазерного излучения. С помощью спектрометра Ocean Optics HR4000 зарегистрированы спектры излучения плазмы воздуха, азота и углекислого газа в кварцевом разрядном канале установки ВГУ-4 и в струе, истекающей в пространство барокамеры. Изготовлены два новых калориметрических датчика с тепловоспринимающими поверхностями из кремния (Si) и карбида кремния (SiC). Новые датчики использовались для измерений тепловых потоков в дозвуковых струях плазмы азота, углекислого газа и воздуха. В установку ВГУ-4 интегрирован лазерный источник Raykus RFL-C1500 мощностью 1.5 кВт. Выполнены предварительные эксперименты по нагреву графитовых образцов дозвуковой азотной плазмой с одновременным воздействием лазерного луча. Изготовлена новая вакуумная камера для испытаний материалов при нагреве поверхности лазером Raycus RFL-C6000X мощностью 6 кВт. Начата отработка режимов нагрева образцов и методов регистрации температуры. Исследовано поведение керамического материала на основе HfB2-SiC при воздействии сверхзвуковой плазмы углекислого газа с дополнительным нагревом лазерным излучением и без дополнительного нагрева лазерным излучением. Обнаружены различия в микроструктуре образцов, подвергнутых воздействию плазмы углекислого газа с дополнительным лазерным нагревом и без него. Для условий испытаний проведены измерения теплового потока и давления торможения на оси струи. Исследована спектральная излучательная способность нагретой керамической поверхности.

 

Публикации

1. Симоненко Е.П., Колесников А.Ф., Чаплыгин А.В., Котов М.А., Якимов М.Ю., Лукомский И.В., Галкин С.С., Шемякин Н.А., Соловьев Н.Г., Лысенков А.С., Нагорнов И.А., Мокрушин А.С., Симоненко Н.П., Кузнецов Н.Т. Oxidation of Ceramic Materials Based on HfB2-SiC under the Influence of Supersonic CO2 Jets and Additional Laser Heating International Journal of Molecular Sciences, 24(17), 13634 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ijms241713634

2. Чаплыгин А.В., Галкин C.C., Лукомский И.В., Тептеева Е.С., Васильевский С.А., Колесников А.Ф., Симоненко Е.П., Симоненко Н.П. Теплообмен и поведение образцов из карбида кремния в дозвуковых потоках плазмы воздуха, азота и углекислого газа Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 25, выпуск 2 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.33257/PhChGD.25.2.1094

3. Чаплыгин А.В., Галкин С.С., Котов М.А., Якимов М.Ю., Лукомский И.В., Колесников А.Ф., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г. Heat Transfer and Behavior of Silicon Carbide in Subsonic Nitrogen and Carbon Dioxide Plasma Flows under Additional Radiative Heating Fluid Dynamics, Том 58, номер 8, с. 1483–1494 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0015462823330017

4. Чаплыгин А.В., Симоненко Е.П., Котов М.А., Сахаров В.И., Лукомский И.В., Галкин С.С., Колесников А.Ф., Лысенков А.С., Нагорнов И.А., Мокрушин А.С., Симоненко Н.П., Кузнецов Н.Т., Якимов М.Ю., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г. Short-Term Oxidation of HfB2-SiC Based UHTC in Supersonic Flow of Carbon Dioxide Plasma Plasma, 7(2):300-315 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.3390/plasma7020017

5. Чаплыгин А.В., Симоненко Е.П., Симоненко Н.П., Котов М.А., Якимов М.Ю., Лукомский И.В., Галкин С.С., Колесников А.Ф., Васильевский С.А., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г. Heat transfer and behavior of ultra high temperature ceramic materials under exposure to supersonic carbon dioxide plasma with additional laser irradiation International Journal of Thermal Sciences, Том 201, 109005 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2024.109005

6. Торчик М.В., Котов М.А Экспериментальные методы определения теплофизических свойств: от однородных твердых тел до высокотемпературных композитных материалов Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 24, выпуск 3 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.33257/PhChGD.24.3.1047

7. Торчик М.В., Котов М.А Излучение реальных тел и бесконтактные способы регистрации температуры Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 24, выпуск 4 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.33257/PhChGD.24.4.1064

8. Чаплыгин А.В., Галкин С.С., Колесников А.Ф., Котов М.А., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Лукомский И.В., Якимов М.Ю. Теплообмен образцов графита в условиях комбинированного нагрева поверхности потоком плазмы азота и лазерным излучением XLVII Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых - пионеров освоения космического пространства (Москва, 24–27 января 2023 года) : сборник тезисов, Том 1, 343-344 (год публикации - 2023)

9. Чаплыгин А.В., Котов М.А., Якимов М.Ю., Лукомский И.В., Галкин С.С., Колесников А.Ф., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г. Получение температуры более 3500 К на поверхности мелкозернистого графита МПГ-7 при комбинированном воздействии дозвукового потока диссоциированного азота и лазерного излучения XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г., Санкт-Петербург. Т. 4. Материалы симпозиумов и Исторической сессии, Том 4, c. 205-207 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18720/SPBPU/2/id23-630

10. Торчик М.В., Котов М.А., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю. Способ измерения теплофизических свойств материалов и установка для его осуществления с использованием датчиков теплового потока -, RU2811326C1 (год публикации - )