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 проекта 22-79-10083
НазваниеЭкспериментальное исследование теплообмена высокотемпературных материалов при комбинированном воздействии высокоэнтальпийного газового потока и лазерного излучения
Руководитель Чаплыгин 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
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 слова индукционный 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.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
При комбинированном воздействии дозвуковой струи диссоциированного азота и лазерного луча образец из графита МПГ-7 был нагрет до температуры более 3850 К. Наблюдалась сублимация углеродного материала. Для условий эксперимента с помощью компьютерных кодов ИПМех РАН выполнено численное моделирование течения. Зондами измерены динамические давления и тепловые потоки в струе. С помощью спектрометра Ocean Optics HR4000 получены спектры излучения плазмы азота. Установлены зависимости температуры поверхности и теплового потока от мощности ВЧ-генератора плазмотрона по анодному питанию и подведенной мощности лазерного излучения. Выполнено сравнение тепловых потоков, достигнутых в экспериментах, с условиями входа в атмосферы Марса, Венеры и Титана.
Исследована абляция графита МПГ-7 в дозвуковых потоках плазмы N2, CO2, N2-CO2 и при комбинированном воздействии струи плазмы и лазерного излучения. Получены зависимости массового и линейного уноса материала от химического состава плазмы и температуры поверхности (в интервале от 2700 до 3700 К). Исследована спектральная излучательная способность графита, нагретого в плазме N2 и CO2 до температуры более 2500 К. Калориметрическим зондом измерены тепловые потоки для условий экспериментов. Зарегистрированы спектры излучения плазмы разного химического состава. С помощью двумерных уравнений Навье-Стокса выполнено численное моделирование дозвуковых течений плазмы азота и диоксида углерода для режимов экспериментов.
Изучено поведение графита при нагреве лазерным излучением до температур от 1200 до 2300 К. Наблюдался эффект спалляции графита.
Изучено поведение керамических материалов на основе HfB2-SiC и ZrB2-HfB2-SiC в потоках плазмы N2, N2-5мол%CH4, N2-5мол%CO2. Выявлены особенности микроструктуры и фазового состава поверхности керамических образцов после воздействия высокоэнтальпийных потоков разного химического состава. Исследована спектральная излучательная способность нагретых керамических образцов.
Публикации
1. Симоненко Е.П., Чаплыгин А.В., Котов М.А., Лысенков А.С., Нагорнов И.А., Мокрушин А.С., Лукомский И.В., Галкин С.С., Симоненко Н.П., Колесников А.Ф., Кузнецов Н.Т. Особенности деградации керамических материалов HfB2-SiC при кратковременном воздействии CO2-плазмы ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория "Сириус", Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 1. — М.: ООО "Буки Веди", Том 1, с. 558 (год публикации - 2024)
2.
Симоненко Е.П., Симоненко Е.П., Чаплыгин А.В., Лукомский И.В., Галкин С.С., Лысенков А.С., Нагорнов И.А., Мокрушин А.С., Колесников А.Ф., Кузнецов Н.Т.
Surface degradation of ultrahigh-temperature ceramics based on HfB2–30vol%SiC in subsonic nitrogen plasma flow
International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Volume 130, 107139 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijrmhm.2025.107139
3. Чаплыгин А.В., Якимов М.Ю., Лукомский И.В., Галкин С.С., Котов М.А., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г., Колесников А.Ф. Экспериментальное исследование поведения материалов при комбинированном воздействии потока плазмы и лазерного излучения Лазерные, плазменные исследования и технологии - ЛаПлаз-2025 : Сборник научных трудов XI Международной конференции, Москва, 29–31 января 2025 года. Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", с. 60 (год публикации - 2025)
4.
Симоненко Е.П., Колесников А.Ф., Чаплыгин А.В., Лысенков А.С., Нагорнов И.А., Лукомский И.В., Галкин С.С., Мокрушин А.С., Симоненко Н.П., Кузнецов Н.Т.
Transformation of the Surface of HfB2–SiC–C(graphene) Ultrahigh-Temperature Ceramics in a High-Velocity Flow of Dissociated Nitrogen
Russian Journal of Inorganic Chemistry (год публикации - 2024)
10.1134/S0036023624600825
5.
Чаплыгин А.В., Якимов М.Ю., Васильевский С.А., Котов М.А., Лукомский И.В., Галкин С.С., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г., Колесников А.Ф.
Combined Plasma and Laser Heating of Graphite
Plasma, 8(1):9 (год публикации - 2025)
10.3390/plasma8010009
6. Чаплыгин А.В., Симоненко Е.П., Симоненко Н.П., Лукомский И.В., Галкин С.С., Нагорнов И.А., Мокрушин И.С. Колесников А.Ф., Кузнецов Н.Т. Поверхностная деградация ультравысокотемпературной керамики на основе HfB2-30об.%SiC в дозвуковом потоке диссоциированного азота XV Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии: Тезисы докладов конференции, Москва, 2025., с. 77 (год публикации - 2025)
7.
Симоненко Е.П., Чаплыгин А.В., Симоненко Н.П., Лукомский И.В., Галкин С.С., Лысенков А.С., Нагорнов И.А., Мокрушин А.С., Колесников А.Ф., Кузнецов Н.Т.
Surface Transformation of Ultrahigh-Temperature ZrB2–HfB2–SiC–C Ceramics Under Exposure to Subsonic N2-CH4 Plasma Flow
Ceramics, 8(2), 67 (год публикации - 2025)
10.3390/ceramics8020067
8.
Абляция графита в дозвуковых диссоциированных потоках азота, углекислого газа, их смеси и при лазерном нагреве поверхности
Абляция графита в дозвуковых диссоциированных потоках азота, углекислого газа, их смеси и при лазерном нагреве поверхности
Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 26, вып. 3 (год публикации - 2025)
10.33257/PhChGD.26.3.1187
9.
Торчик М.В., Котов М.А., Андросенко В.Н., Филиппов Ф.В., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю., Чаплыгин А.В., Галкин С.С.
Исследование теплофизических свойств мелкозернистого графита МПГ-7 в диапазоне 1000 – 2000 °С при лазерном нагреве
Физика и химия обработки материалов, № 4, с. 5 – 19 (год публикации - 2025)
10.30791/0015-3214-2025-4-5-19
Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта сформирован научный задел в области испытаний материалов в струях мощных ВЧ-плазмотронов. Создана возможность проведения нового класса экспериментов по исследованию теплообмена материалов в условиях комбинированного воздействия на поверхность высокоэнтальпийного газового потока и лазерного излучения. Предложенные методики испытаний высокотемпературных материалов в условиях комбинированного нагрева могут быть использованы для задач создания тепловой защиты космических аппаратов, предназначенных для посадки в атмосфере Марса, Венеры и других планет Солнечной системы.