Экспериментальное и расчетное исследование режимов высокочастотного индукционного плазмотрона мегаваттного класса

Проектирование современной тепловой защиты для спускаемых космических аппаратов и планетных зондов требует экспериментальных исследований материалов в условиях, моделирующих термохимические факторы аэродинамического нагрева. Достоверность моделирования определяется характеристиками используемой экспериментальной установки. Для исследования сложного теплообмена поверхности в высокоэнтальпийных, химически активных потоках диссоциированных газов часто используют высокочастотные индукционные плазмотроны. Их конструкция позволяют проводить продолжительные эксперименты в химически чистых до- и сверхзвуковых потоках плазмы и комплексно исследовать поведение материалов при высокой температуре, в том числе сложные процессы гетерогенного катализа и химических реакций на поверхности, абляции и термической деструкции. Основная часть экспериментальных исследований выполняется на небольших образцах материалов в струях установок средней мощности. Однако для испытаний крупных фрагментов тепловой защиты создано несколько установок мегаваттного класса (ВГУ-3 (ИПМех РАН, Россия), У-13ВЧП (ЦНИИМаш, Россия), Plasmatron (Институт гидродинамики им. фон Кармана, Бельгия). Корректная интерпретация данных экспериментов возможна только в результате детального сравнения условий в испытательной установке с условиями входа в атмосферу. Поэтому неизменно актуальны как проблемы экспериментальной диагностики плазменных струй, так и численного моделирования течений, для новых режимов мощных ВЧ-плазмотронов. Коллектив лаборатории Взаимодействия плазмы и излучения с материалами (ИПМех РАН) обладает опытом эксплуатации уникального комплекса, состоящего из двух ВЧ-плазмотронов: ВГУ-4 и ВГУ-3 с подведенной мощностью 100 кВт и 1 МВт соответственно. Большинство научно-исследовательских работ в области теплообмена выполняются на установке ВГУ-4 из-за относительной простоты ее эксплуатации по сравнению с более мощным мегаваттным плазмотроном. Эксперименты на установке ВГУ-3 в основном прикладные и единичные (менее 10 запусков в год). При этом за последние годы изготовлены новые сопловые насадки (конические и щелевые) и существенно расширены возможности системы регистрации параметров установки. ВЧ-плазмотрон ВГУ-3, очевидно, имеет нереализованный потенциал для получения фундаментальных научных результатов в области теплообмена материалов в потоках плазмы. В рамках работы впервые планируется накопить структурированную информацию о режимах высокочастотного индукционного плазмотрона мегаваттного класса ВГУ-3, как экспериментальными методами, так и в результате численного моделирования. Это новая задача, поскольку ранее установка ВГУ-3 применялась в большей степени как индустриальная (для испытаний крупногабаритных элементов конструкций), чем как исследовательская, доступные данные о ее режимах имеют разрозненный характер. Систематизация этих данных требуется для уточнения областей моделирования установки и качественного планирования экспериментов при исследовании поведения высокотемпературных материалов в условиях входа в атмосферу.