Уникальные научные установки
Высокочастотные индукционные плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4

• Общие сведения
  • Наименование УНУ
  • Адрес
  • Руководитель работ
  • Базовая организация
  • Информация об уникальной научной установке "плазмотроны ВГУ"
  • Основные направления научных исследований, проводимых с использованием УНУ "Плазмотроны ВГУ"
  • Главные преимущества, обоснование уникальности установки "Плазмотроны ВГУ", в том числе сопоставление УНУ с существующими аналогами
• Перечень объектов в составе УНУ
• Регламент доступа к УНУ
• План работы УНУ
  • 2019 год
  • 2018 год
  • 2017 год
• Контактная информация

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.

1. Разработка метода локального моделирования на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4 термохимического воздействия гиперзвуковых потоков воздуха в окрестности носка затупленного тела.
2. 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.
3. Экспериментальное исследование теплообмена плоских поверхностей в струях воздушной плазмы, истекающих из щелевых сопел ВЧ-плазмотронов ВГУ-3 и ВГУ-4.
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.
5. Проведение систематических численных расчетов обтекания моделей дозвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха и теплообмена для условий текущих экспериментов на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4.
6. Экстраполяция параметров экспериментов на ВЧ-плазмотронах ВГУ-3 и ВГУ-4 в дозвуковых режимах на условия входа затупленных тел в атмосферу Земли.

2018 г.

1. 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.
2. Экспериментальная валидация законов подобия индукционных разрядов.
3. Экспериментальное исследование теплообмена водоохлаждаемой пластины со струйными потоками диссоциированных молекулярных газов в ВЧ-плазмотроне ВГУ-4.
4. Численное моделирование течений индукционной плазмы и теплообмена в ВЧ-плазмотроне ВГУ-3.

2017 г.

1. 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.
2. Исследование до- и сверхзвуковых течений воздушной плазмы в диапазоне рабочих параметров мегаваттного ВЧ-плазмотрона ВГУ-3 при работе с различными соплами разрядного канала.
3. 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.
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.
5. 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