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

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.