Аэротермохимия течений молекулярных газов и теплообмен в индукционных ВЧ-плазматронах

На ВЧ-плазматроне ВГУ-4 (ИПМех РАН) проведены эксперименты по теплообмену водоохлаждаемой цилиндрической модели диам. 20 мм в высокоэнтальпийных недорасширенных и дозвуковых струях азота. Вдоль оси симметрии потоков диссоциированного азота измерены давления торможения, скоростные напоры и тепловые потоки к поверхностям меди, нержавеющей стали, графита и кварца в критической точке модели. Установлена качественная шкала каталитичности материалов в струях диссоциированного азота: медь ~ нержавеющая сталь > графит > кварц. В сублимационном режиме разрушения графита зарегистрирована максимальная температура поверхности 3500°С в высокоэнтальпийном потоке азота, вытекающем из сопла диам. 16 мм. Проведены экспериментальные исследования теплообмена поверхностей металлов и кварца в дозвуковых струях диссоциированного углекислого газа для условий, соответствующих спуску аппарата ExoMars в атмосфере Марса. Для условий экспериментов в сверхзвуковых и дозвуковых режимах в рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели газовой среды выполнены численные расчеты течений плазмы азота и углекислого газа в разрядном канале ВЧ-плазматрона, обтекания модели и теплопередачи к поверхности модели. Из сопоставления измеренных и рассчитанных тепловых потоков определены эффективные коэффициенты каталитической рекомбинации атомов N, O и молекул CO на поверхностях нержавеющей стали, меди, графита и кварца. Получены новые данные фоторегистрации ударно-волновых структур при обтекании цилиндрической модели с плоским носком высокоэнтальпийными недорасширенными струями азота, истекающими из конических сопел. Отработаны методика и технический подход к измерениям степени черноты поверхности углеродных и керамических материалов при высоких температурах в ходе эксперимента на установке ВГУ-4. Усовершенствована методика пересчета условий теплообмена в высокоэнтальпийных сверхзвуковых потоках воздуха и углекислого газа на гипотетические условия входа затупленных тел в атмосферы Земли и Марса. В случаях, когда выполнены условия локального моделирования теплообмена, установлено подобие нормированных тепловых потоков в критических точках цилиндрической модели и сферы в зависимости от эффективных коэффициентов каталитической рекомбинации атомов O и N, или O и CO, для условий экспериментов на ВЧ-плазматроне ВГУ-4 и входа в атмосферу Земли или Марса. Подтверждена формула для экстраполяции измеренного в эксперименте теплового потока в точке торможения модели на условия обтекания затупленного тела высокоскоростными потоками воздуха или углекислого газа. Проведено численное моделирование в рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели газовой среды течений в подогревателе и в рабочей части АДТ ВАТ-104 (ЦАГИ) и обтекания недорасширенной сверхзвуковыми струями сферически затупленного конуса и цилиндрической модели с торцевым затуплением. Изучено поведение давления и тепловых потоков на поверхности моделей в зависимости от расхода вдуваемого воздуха и мощности, вкладываемой в плазму. Расчетно-экспериментальным путем дана оценка КПД нагревателя АДТ ВАТ-104. Получено удовлетворительное совпадение рассчитанных и экспериментально измеренных значений тепловых потоков и давления торможения вдоль поверхности сферически затупленного конуса.