Уникальные научные установки
Высокочастотные индукционные плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4
Общие сведения
Наименование УНУ
Высокочастотные индукционные плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4 (плазмотроны ВГУ).
Адрес
119526, г. Москва, проспект Вернадского, д. 101, корп. 1, комн. 030.
http://plasmalab.ipmnet.ru/ru/
Руководитель работ
Д.ф.-м.н. Колесников Анатолий Фёдорович,
(495) 434-36-74,
koles@ipmnet.ru
Базовая организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН).
Информация об уникальной научной установке "плазмотроны ВГУ"
УНУ "плазмотроны ВГУ" создана в 1988 году.
Плазмотрон ВГУ-3. Мегаваттный высокочастотный индукционный плазмотрон ВГУ-3 имеет следующее параметры: частота ВЧ-генератора 0.44 МГц, давление в барокамере 0.01–1000 гПа, диаметр разрядного канала 150 или 200 мм, расход воздуха 4-15 г/с, энтальпия на оси потока 10-50 МДж/кг. Плазмотрон может работать в дозвуковых режимах и в сверхзвуковых режимах со звуковыми соплами с диаметром выходного сечения 80, 60, 40, 20 мм и со щелевым соплом с размерами выходного сечения 80x16 мм, которое позволяет вести испытания плоских пластин, обтекаемых под углом атаки и острых и скруглённых передних кромок крыла.
Плазмотрон ВГУ-4. 100-киловаттный высокочастотный индукционный плазмотрон ВГУ-4 имеет следующее параметры: частота ВЧ-генератора 1.76 МГц, давление в барокамере 0.01–1000 гПа, диаметр разрядного канала 80 мм, расход рабочих газов (воздух, N2, O2, CO2, Ar и любые смеси этих газов) 4–6 г/с, энтальпия на оси потока 4–55 МДж/кг. Плазмотрон может работать в дозвуковых режимах и в сверхзвуковых режимах со звуковыми соплами с диаметром выходного сечения 50, 40, 30, 16 мм и со щелевым соплом с размерами выходного сечения 80x16 мм. Реализуемые тепловые потоки могут изменяться в пределах от 5 Вт/см2 до 2.5 кВт/см2.
Экспериментальные данные, получаемые в ходе испытаний на плазмотронах ВГУ, преобразуются в цифровой формат, отображаются на мониторах и сохраняются в виде файлов на компьютерах, обслуживающих плазмотроны ВГУ.
Диагностика течений плазмы в плазмотронах ВГУ основана на комплексном подходе, включающем экспериментальные исследования и численное моделирование. Такой подход позволяет определить эффективные коэффициенты рекомбинации атомов (а также молекул CO для испытаний в диссоциированном углекислом газе) на поверхностях различных материалов и покрытий.
Для определения возможности переноса результатов испытаний в плазмотронах ВГУ на натурные условия входа затупленного тела в атмосферу используется теория локального моделирования теплопередачи в окрестности критической точки тела, разработанная в лаборатории взаимодействия плазмы и излучения с материалами ИПМех РАН.
Основные направления научных исследований, проводимых с использованием УНУ "Плазмотроны ВГУ"
- Локальное моделирование аэродинамического нагрева поверхности тел, входящих в атмосферу Земли и Марса с гиперзвуковыми скоростями;
- Исследование поведения и термохимической стойкости теплозащитных материалов в высокоэнтальпийных газовых потоках по контрактам с ведущими аэрокосмическими организациями страны;
- Экспериментальное и численное исследование теплообмена в высокоэнтальпийных потоках молекулярных газов и определение каталитических свойств высокотемпературных теплозащитных покрытий по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов кислорода, азота и молекул окиси углерода.
Главные преимущества, обоснование уникальности установки "Плазмотроны ВГУ", в том числе сопоставление УНУ с существующими аналогами
В мире и в РФ имеются несколько установок такого типа для исследований теплообмена в высокоэнтальпийных потоках газов и испытаний материалов тепловой защиты. В России – это мегаваттный плазмотрон У-13ВЧП ФГУП ЦНИИМАШ и 250-киловаттный плазмотрон ВАТ-104 ЦАГИ. В Западной Европе имеется 1200-киловаатная установка "Plasmatron" в Институте им. Фон Кармана (Брюссель, Бельгия) и 200-киловаттный плазмотрон IPG4 в университете г. Штутгарт (Германия). В США имеется 30-киловаттный индукционный плазмотрон в Университете штата Иллинойс.
Важнейшим преимуществом УНУ "Плазмотроны ВГУ" является наличие в одной лаборатории двух установок, разработанных одной и той же группой учёных и конструкторов. Отлично управляемый и обеспечивающий проведение большого количества экспериментов (до 400 в год) 100-киловатный плазмотрон используется для проведения научно-исследовательских работ и испытаний небольших (20–50 мм) образцов материалов, а на порядок более мощный мегаваттный плазмотрон используется для проведения исследований и испытаний крупногабаритных образцов и фрагментов тепловой защиты (50–250 мм). Это обеспечивает максимальную гибкость и эффективность применения плазмотронов ВГУ-3 и ВГУ-4 при сохранении единства методик испытаний материалов и методов измерений.
При использовании индукционного метода нагрева газа благодаря отсутствию контакта элементов конструкции с плазмой обеспечивается целый ряд существенных преимуществ над наиболее широко распространёнными в мире электродуговыми плазмотронами. Этими преимуществами являются: высочайшая чистота генерируемого потока плазмы; возможность работы с любыми газами, в том числе и агрессивными; высокая стабильность и воспроизводимость параметров плазменного потока; отсутствие физических ограничений продолжительности работы, обеспечивающее возможность проведения длительных экспериментов при циклических испытаниях ТЗМ в условиях, моделирующих натурные условия нагрева в атмосфере по энтальпии набегающего потока, давлению торможения, градиенту скорости в критической точке, и в результате – по тепловому и химическому воздействию набегающего потока на поверхность ТЗМ.
Преимуществом исследований, проводимых на ВГУ-4, ВГУ-3, является также их комплексный характер, сочетающий экспериментальные методы и численное моделирование течений в плазмотронах, проводимое для условий экспериментов.
Еще одно преимущество – использование теории локального моделирования теплопередачи в окрестности критической точки тела для определения возможности переноса результатов экспериментальных исследований на натурные условия.
Ожидаемый период сохранения уникальности: не менее 20 лет (при условии поддержания на современном уровне приборного и диагностического оборудования).
Перечень объектов в составе УНУ
Наименование | Изготовитель | Страна | Год выпуска | Количество единиц |
Спектрометр SP-558 с оптическим детектором на ПЗС-матрице (OMA-V)
Предназначен для регистрации излучения плазмы | Acton Research | Соединённые Штаты Америки | 2000 | 1 |
Спектрометр HR-400
Предназначен для регистрации излучения плазмы | Ocean Optics | Соединённые Штаты Америки | 2010 | 1 |
Пирометр инфракрасный Кельвин 1200/175Д
Предназначен для измерений температуры поверхности материалов при испытаниях в потоках плазмы | ЗАО "Евромикс" | Россия | 2015 | 1 |
Пирометр Кельвин-2100
Предназначен для измерений температуры поверхности материалов при испытаниях в потоках плазмы | ЗАО "Евромикс" | Россия | 2012 | 2 |
Пирометр Micron M770S
Предназначен для измерений температуры поверхности материалов при испытаниях в потоках плазмы | Raytek | Соединённые Штаты Америки | 2010 | 1 |
Термовизор Тандем VS-415
Предназначен для измерения температуры поверхности материалов при испытаниях в потоках плазмы | ООО Компания "Си Эн Техно" | Россия | 2009 | 1 |
Датчик давления АИР-20ДД/М2
Предназначен для измерения давления в барокамере плазмотрона | Элемер | Россия | 2014 | 2 |
Датчик давления АИР-10Д2
Прибор для измерения давления в барокамере плазмотрона | Элемер | Россия | 2014 | 2 |
Датчик давления АИР-20ДА/М2
Прибор для измерения давления в барокамере плазмотрона | Элемер | Россия | 2014 | 4 |
Внешний модуль АЦП-Е-270
Устройство для сбора и передачи данных измерений | L-Card | Россия | 2007 | 3 |
Расходомер контроллер MKV-396
Прибор для измерения расхода газов в разрядных каналах плазмотронов ВГУ | Bronkhorst | Нидерланды | 2014 | 1 |
Расходомер контроллер MKV-306
Прибор для измерения расхода газов в разрядных каналах плазмотронов ВГУ | Bronkhorst | Нидерланды | 2013 | 2 |
Вакуумный насос НВЗ-300
Оборудование для получения низкого давления в барокамере плазмотронов ВГУ-3 и ВГУ-4 | Сумской насосный завод | Украина | 1984 | 1 |
Плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4
Высокочастотные газодинамические установки для получения высокоэнтальпийных потоков плазмы | ИПМех РАН | Россия | 1988 | 1 |
Регламент доступа к УНУ
Непосредственно к работе на установках допускаются только сотрудники лаборатории – операторы УНУ.
Представители организации - заказчика работы присутствуют на испытаниях своих образцов материалов, когда это необходимо.
План работы УНУ
2019 г.
- Разработка метода локального моделирования на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4 термохимического воздействия гиперзвуковых потоков воздуха в окрестности носка затупленного тела.
- Экспериментальное моделирование на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4 аэродинамического нагрева поверхности карбида кремния в струях плазмы воздуха. Прогнозирование температуры поверхности SiC и высокотемпературной керамики в окрестности носка затупленного тела для заданных траекторных параметров в атмосфере Земли.
- Экспериментальное исследование теплообмена плоских поверхностей в струях воздушной плазмы, истекающих из щелевых сопел ВЧ-плазмотронов ВГУ-3 и ВГУ-4.
- Численное исследование течений воздушной плазмы в разрядных каналах плазмотронов ВГУ-4 и ВГУ-3 на основе новой подпрограммы расчета амплитуды электромагнитного поля в двумерном приближении.
- Проведение систематических численных расчетов обтекания моделей дозвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха и теплообмена для условий текущих экспериментов на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4.
- Экстраполяция параметров экспериментов на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4 в дозвуковых режимах на условия входа затупленных тел в атмосферу Земли.
2018 г.
- Определение эффективных коэффициентов рекомбинации атомов O, N и молекул CO по измеренным тепловым потокам к поверхностям металлов, кварца, углерода и керамики в потоках диссоциированных газов на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4.
- Экспериментальная валидация законов подобия индукционных разрядов.
- Экспериментальное исследование теплообмена водоохлаждаемой пластины со струйными потоками диссоциированных молекулярных газов в ВЧ-плазмотроне ВГУ-4.
- Численное моделирование течений индукционной плазмы и теплообмена в ВЧ-плазмотроне ВГУ-3.
2017 г.
- Исследование до- и сверхзвуковых течений плазмы молекулярных газов (воздух, азот, углекислый газ) в диапазоне рабочих параметров 100-киловаттного ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 при работе с различными насадками на разрядный канал.
- Исследование до- и сверхзвуковых течений воздушной плазмы в диапазоне рабочих параметров мегаваттного ВЧ-плазмотрона ВГУ-3 при работе с различными соплами разрядного канала.
- Исследование теплообмена в критической точке осесимметричных моделей разной геометрии с каталитической поверхностью, обтекаемой до- и сверхзвуковыми струями плазмы молекулярных газов в ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4.
- Исследование теплового эффекта катализа на поверхностях различных материалов (металлы, кварц, углерод, керамика) в до- и сверхзвуковых струях диссоциированных газов ВЧ-плазмотронов ВГУ-3 и ВГУ-4.
- Численное моделирование течений индукционной плазмы и теплообмена в ВЧ-плазмотроне ВГУ-4.
Контактная информация
119526, г. Москва, проспект Вернадского, д. 101, корп. 1
Колесников Анатолий Федорович
8 (495) 434-36-74
koles@ipmnet.ru