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

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

Публикации

1. 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)
10.33257/PhChGD.23.4.1004

2. 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)
10.3390/fluids8010011

3. 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, № 4 (2023), с. 146-155 (год публикации - 2023)
10.31857/S1024708423600112

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)

6. 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)
10.3390/ijms241713634

7. 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)

8. 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)
10.33257/PhChGD.24.3.1047

9. 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)
10.33257/PhChGD.24.4.1064

10. 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)
10.1134/S0015462823330017

11. 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)
10.18720/SPBPU/2/id23-630

12. 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)
10.33257/PhChGD.25.2.1094

13. 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)
10.1016/j.ijthermalsci.2024.109005

14. 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)
10.3390/plasma7020017

15. 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)

16. 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

17. 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)

18. 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

19. 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

20. 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)

21. 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

22. 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

Публикации

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

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.