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 25-29-00178
НазваниеЭкспериментальное и расчетное исследование режимов высокочастотного индукционного плазмотрона мегаваттного класса
РуководительКолесников Анатолий Федорович, Доктор 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 | 2025 г. - 2026 г. |
Конкурс№102 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые словавысокочастотный индукционный плазмотрон, теплообмен, плазма, высокоэнтальпийный газовый поток, диагностика течения, численное моделирование
Код ГРНТИ30.17.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проектирование современной тепловой защиты для спускаемых космических аппаратов и планетных зондов требует экспериментальных исследований материалов в условиях, моделирующих термохимические факторы аэродинамического нагрева. Достоверность моделирования определяется характеристиками используемой экспериментальной установки. Для исследования сложного теплообмена поверхности в высокоэнтальпийных, химически активных потоках диссоциированных газов часто используют высокочастотные индукционные плазмотроны. Их конструкция позволяют проводить продолжительные эксперименты в химически чистых до- и сверхзвуковых потоках плазмы и комплексно исследовать поведение материалов при высокой температуре, в том числе сложные процессы гетерогенного катализа и химических реакций на поверхности, абляции и термической деструкции. Основная часть экспериментальных исследований выполняется на небольших образцах материалов в струях установок средней мощности. Однако для испытаний крупных фрагментов тепловой защиты создано несколько установок мегаваттного класса (ВГУ-3 (ИПМех РАН, Россия), У-13ВЧП (ЦНИИМаш, Россия), Plasmatron (Институт гидродинамики им. фон Кармана, Бельгия). Корректная интерпретация данных экспериментов возможна только в результате детального сравнения условий в испытательной установке с условиями входа в атмосферу. Поэтому неизменно актуальны как проблемы экспериментальной диагностики плазменных струй, так и численного моделирования течений, для новых режимов мощных ВЧ-плазмотронов. Коллектив лаборатории Взаимодействия плазмы и излучения с материалами (ИПМех РАН) обладает опытом эксплуатации уникального комплекса, состоящего из двух ВЧ-плазмотронов: ВГУ-4 и ВГУ-3 с подведенной мощностью 100 кВт и 1 МВт соответственно. Большинство научно-исследовательских работ в области теплообмена выполняются на установке ВГУ-4 из-за относительной простоты ее эксплуатации по сравнению с более мощным мегаваттным плазмотроном. Эксперименты на установке ВГУ-3 в основном прикладные и единичные (менее 10 запусков в год). При этом за последние годы изготовлены новые сопловые насадки (конические и щелевые) и существенно расширены возможности системы регистрации параметров установки. ВЧ-плазмотрон ВГУ-3, очевидно, имеет нереализованный потенциал для получения фундаментальных научных результатов в области теплообмена материалов в потоках плазмы. В рамках работы впервые планируется накопить структурированную информацию о режимах высокочастотного индукционного плазмотрона мегаваттного класса ВГУ-3, как экспериментальными методами, так и в результате численного моделирования. Это новая задача, поскольку ранее установка ВГУ-3 применялась в большей степени как индустриальная (для испытаний крупногабаритных элементов конструкций), чем как исследовательская, доступные данные о ее режимах имеют разрозненный характер. Систематизация этих данных требуется для уточнения областей моделирования установки и качественного планирования экспериментов при исследовании поведения высокотемпературных материалов в условиях входа в атмосферу.
Ожидаемые результаты
Расчетными и экспериментальными методами будут получены распределения динамических давлений, скоростей потока, температур и энтальпий в дозвуковых струях воздушной плазмы мегаваттного плазмотрона ВГУ-3 в зависимости от режимов установки (мощности анодного питания, давления в испытательной камере и геометрии разрядного канала), с помощью калориметрических датчиков будут измерены тепловые потоки к материалам с различными каталитическими свойствами. Будут определены предельные параметры установки ВГУ-3, при которых возможно проведение испытаний материалов. Также планируется исследовать тепловые режимы неохлаждаемого кварцевого разрядного канала, чтобы определить предел работоспособности установки при высокой подведенной мощности. Полученные систематизированные результаты послужат основой для последующих экспериментов в области теплообмена в диссоциированных газовых потоках, могут быть использованы для валидации разрабатываемых в ИПМех РАН и сторонних программных кодов по расчету течений плазмы, а также будут востребованы предприятиями авиационно-космической отрасли при планировании испытаний. Безусловно, первое для научной группы ИПМех РАН столь комплексное исследование режимов плазмотрона мегаваттного класса ВГУ-3 (ранее подобные масштабные кампании проводились только на 100-киловаттном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4) стимулирует более активное дальнейшее использование этой установки в научно-исследовательских, а не только прикладных задачах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ