ИСТИНА

Целью проекта является исследование аэротермодинамических аспектов фундаментальной проблемы моделирования аэродинамического нагрева и термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитных материалов (ТЗМ) для условий входа тел в атмосферу Земли с гиперзвуковыми скоростями. Прикладная сторона этого проекта непосредственно связана с разработкой новых технических подходов к термохимическим испытаниям на ВЧ-плазмотронах новых материалов, перспективных для аэрокосмической техники, и с переносом результатов наземных испытаний на условия гиперзвукового полета. Настоящий проект направлен на продолжение совместных экспериментальных и численных исследований неравновесных до- и сверхзвуковых течений воздушной плазмы, теплообмена и каталитических свойств металлов и кварца в расширенных диапазонах условий, реализуемых на индукционном плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН) и установке ВАТ-104 (ЦАГИ). Впервые планируется исследование термохимической стойкости и определение каталитических свойств ультравысокотемпературных керамических материалов состава HfB2-SiC, модифицированных нанопластинками графена новым разработанным авторским коллективом методом, в высокоэнтальпийных потоках диссоциированного воздуха ВЧ-плазмотрона ВГУ-4. В гиперзвуковой аэродинамической трубе ВАТ-104 ЦАГИ, позволяющей моделировать условия полета высокоскоростных летательных аппаратов, будут получены новые данные по каталитической активности высокотемпературных материалов в диапазоне температур 1500-2500 K, при которых эти данные практически отсутствуют.

The project aims to solve the fundamental problem of modeling the aerodynamic heating of the surface of bodies at re-entry to the atmosphere. Using a 100-kW high-frequency plasmatron VGU-4 (IPMech RAS) with induction heating of gases, the heat exchange of subsonic and supersonic dissociated air flows with the surfaces of metals and quartz will be studied, and the thermochemical action of dissociated air jets on the surface of ultrahigh-temperature ceramic materials of HfB2-SiC-graphene composition will be studied, including the depth of oxidation, elemental and phase composition, surface microstructure. Initial experimental data on heat fluxes will be obtained for the determination of the catalytic recombination coefficients of O and N atoms on the studied materials. In the BAT-104 TsAGI hypersonic wind tunnel, which allows simulating the flight conditions of high-speed space vehicle, new data will be obtained on the catalytic activity of high-temperature materials with heat-resistant MAI coatings of the Si + TiSi2 + (Ti, Mo) Si2 + YSi2 + TiB2 + SiO2 system and coatings based on the Si-ZrSi2-MoSi2-ZrB2 – SiC system, as well as samples of silicon nitride Si3N4 and alumina Al2O3 in the temperature range 1500-2500 K. Testing of materials must be combined with numerical multi-parameter modeling of nonequilibrium air flow around samples of materials and heat transfer with their surface. The parameters of the subsonic and supersonic dissociated air jets will be determined from the experimental diagnostics and numerical simulation of flows of a nonequilibrium chemically active air plasma in the framework of the Navier-Stokes equations for the experimental conditions. The thermal effect of the recombination of O and N atoms will be experimentally and numerically investigated, and the catalytic activity of the surfaces of metals, quartz, carbon, and ceramics will be studied. The experimental data on the heat transfer and the behavior of materials in the dissociated air jets obtained in the VGU-4 (IPMech RAS) and VAT-104 (TsAGI) facilities will be extrapolated to the conditions for the entry of blunt bodies into the Earth’s atmosphere.

В 2022 г. планируются следующие работы: - измерения скоростного напора и давления торможения вдоль оси до- и сверхзвуковых струй плазмы воздуха при низких давлениях торможения с использованием сопел с диаметром выходного сечения 30 мм; - термовизионные и пирометрические измерения температуры поверхности углерода и керамики в дозвуковых струях диссоциированного воздуха при низких давлениях торможения; - измерения спектральной и интегральной степени черноты поверхности образцов из углерода и керамики при высоких температурах поверхности; - численное моделирование течений плазмы воздуха в канале плазмотрона ВГУ-4 с коническим соплом диаметром 30 мм в диапазоне давления в барокамере 0.05 - 0.1 атм; - численное моделирование обтекания моделей различной формы дозвуковыми потоками воздуха, истекающими из разрядного канала ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 с коническим соплом диаметром 30-50 мм в диапазоне давления в барокамере 0.05 - 0.1 атм; -расчеты тепловых потоков от неравновесного пограничного слоя к критической точке модели и определение коэффициентов рекомбинации атомов O и N на поверхностях исследованных металлов и кварца по измеренным тепловым потокам в условиях экспериментов на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4; - экспериментально-расчетное исследование зависимости коэффициентов рекомбинации атомов O и N на материалах от давления; - выбор геометрической формы и изготовление опытных образцов ультравысокотемпературного керамического материала состава HfB2-SiC-графен для испытаний в дозвуковых струях диссоциированного воздуха; - изучение поведения керамических образцов под воздействием дозвуковых потоков диссоциированного воздуха; - экспериментальное определение температурных границ термохимической стойкости ультравысокотемпературных керамических материалов состава HfB2-SiC-графен в дозвуковых потоках диссоциированного воздуха; - анализ химического состава и микроструктуры поверхности керамики после воздействия на них дозвуковых потоков диссоциированного азота; - планируется выполнить численные оценки соответствия тепловых потоков в точках торможения при обтекании модели дозвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при входе затупленных тел со сверхзвуковой скоростью в атмосферу Земли, когда параметры этих качественно разных течений связаны условиями локального моделирования. В 2021 г.: - экспериментальное исследование до- и сверхзвуковых течений плазмы воздуха на плазмотроне ВГУ-4 с коническими соплами с диаметрами выходного сечения 30, 40 и 50 мм при низких давлениях торможения; - экспериментальное исследование обтекания моделей и образцов высокотемпературных материалов различной геометрии до- и сверхзвуковыми струями диссоциированного воздуха; - численное исследование дозвуковых течений плазмы воздуха в плазмотроне ВГУ-4, включая обтекание водоохлаждаемых моделей различной геометрии; - измерения спектральной и интегральной степени черноты поверхности керамических и углеродных материалов при высоких температурах в процессе эксперимента; - определение коэффициентов каталитической рекомбинации атомов O и N на водоохлаждаемых поверхностях металлов и кварца по тепловым потокам, измеренным в дозвуковых режимах обтекания с использованием конических сопел с диаметрами выходного сечения 40 и 50 мм при низких давлениях торможения; - определение коэффициентов каталитической рекомбинации атомов O и N на высокотемпературных поверхностях керамики состава HfB2-SiC-графен и углерода из экспериментов по теплообмену в дозвуковых режимах обтекания с использованием конических сопел с диаметрами выходного сечения 40 и 50 мм при низких давлениях торможения; - экспериментально-расчетное определение зависимости коэффициентов рекомбинации атомов O и N на материалах от давления; - выбор геометрической формы и изготовление опытных образцов ультравысокотемпературного керамического материала состава HfB2-SiC-графен для испытаний в сверхзвуковых струях диссоциированного воздуха; - исследование поведения образцов HfB2-SiC-графен под воздействием сверхзвуковых потоков диссоциированного воздуха; - изучение состава газовой фазы в диссоциированном пограничном слое над поверхностью керамического материала HfB2-SiC-графен; - определение глубины окисления, элементного и фазового состава и исследование микроструктуры поверхности керамики HfB2-SiC-графен после воздействия на поверхность до- и сверхзвуковых потоков диссоциированного воздуха; - исследование процесса изменения степени черноты керамики HfB2-SiC-графен в ходе воздействия на поверхность образцов до- и сверхзвуковых потоков диссоциированного воздуха. - будут исследованы каталитические свойства образцов нитрида кремния Si3N4 и оксида алюминия Al2O3. В 2022 г.: - проведение сравнительных экспериментов по теплообмену водоохлаждаемых поверхностей металлов и кварца в до- и сверхзвуковых потоках диссоциированного воздуха при одинаковых полных энтальпиях и давлениях торможения; - сравнение, анализ и обобщение полученных данных по коэффициентам каталитической рекомбинации атомов O и N на водоохлаждаемых поверхностях металлов и кварца из экспериментов по теплообмену в до- и сверхзвуковых режимах обтекания моделей; - сравнение, анализ и обобщение полученных данных по коэффициентам каталитической рекомбинации атомов O и N на высокотемпературных поверхностях керамики HfB2-SiC-графен и углерода из экспериментов по теплообмену в дозвуковых режимах обтекания моделей; - экстраполяция новых данных по степени черноты и коэффициентам каталитической рекомбинации атомов O и N, полученных на высокотемпературных поверхностях керамики HfB2-SiC-графен и углерода в широкой области определяющих параметров теплообмена, на условия входа затупленных тел в атмосферу Земли; - исследование термохимической стойкости образцов керамики HfB2-SiC-графен под воздействием до- и сверхзвуковых потоков диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне; - изучение влияния характеристик потока диссоциированного воздуха на состав газовой фазы в пограничном слое над поверхностью образца керамики HfB2-SiC-графен; - исследование элементного и фазового состава поверхности образца керамики HfB2-SiC-графен, а также ее микроструктуры после воздействия до- и сверхзвуковых потоков диссоциированного воздуха; - исследование изменения каталитичности поверхности образцов керамики HfB2-SiC-графен в результате воздействия дозвуковых потоков диссоциированного воздуха на поверхность; - будут исследованы образцы композиционного материала C/SiC с жаростойкими покрытиями МАИ на основе системы Si-ZrSi2-MoSi2-ZrB2– SiC.

Коллективы ИПМех РАН и ЦАГИ имеют уникальные высокотемпературные газодинамические установки - индукционные ВЧ-плазмотроны ВГУ-4 мощностью 100 кВт, ВГУ-3 мощностью 1 МВт и АДТ ВАТ-104 мощностью 240 квт, превосходящие по своим параметрам и функциональным возможностям другие установки такого типа в России и за рубежом. В ИПМех РАН разработан и верифицирован эффективный экспериментально-теоретический метод исследования теплообмена поверхностей в дозвуковых потоках высокоэнтальпийных газов. Осуществлено моделирование теплопередачи к критической точке аппарата «EXPERT» для двух точек траектории входа в атмосферу Земли. Разработанный комплекс программ в Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова позволяет проводить расчеты гиперзвукового обтекания тел и моделировать сложные физические процессы в индукционных плазмотронах с учетом неравновесных химических реакций и релаксации внутренних степеней свободы. В ИМех МГУ численно решена задача гиперзвукового пространственного обтекания ВКС «Буран» химически реагирующим потоком воздуха в условиях движения его по планирующей траектории спуска в атмосфере Земли. Разработанная методика применялась для изучения аэротермодинамики входа космических аппаратов в атмосферу Земли и Марса. Научные результаты в области термохимического взаимодействия потоков плазмы с поверхностью, полученные на уникальном комплексе плазменных установок ВГУ-4 и ВАТ-104, превосходят лучшие аналогичные исследования в России и за рубежом. Научная группа ИОНХ РАН активно внедряет свои наработки в технологии создания высокотемпературных материалов для экстремальных условий эксплуатации, получено 10 патентов РФ. В целом, научные группы ИПМех РАН, ИМех МГУ, ЦАГИ и ИОНХ РАН, предлагающие данный проект, имеют существенные заделы в экспериментальной аэрофизике, вычислительной аэротермодинамике, химии и физике поверхности, что позволит решить все поставленные в проекте задачи на высоком современном уровне.

За период 01.01.2022г. по 31.05.2022г. - проведены сравнения измеренных ранее тепловых потоков к водоохлаждаемым поверхностям металлов (Cu, Ag, Au, Be, Ta, Mo) и кварца вдоль оси сверхзвуковых струй плазмы воздуха, истекающих из звукового сопла плазмотрона диаметром выходного сечения 30 мм, с полученными за отчетный период в расчетах обтекания моделей в рамках уравнений Навье-Стокса значениями с датчиками из этих материалов Выполнены численные оценки соответствия тепловых потоков в точках торможения при обтекании модели дозвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при входе затупленных тел со сверхзвуковой скоростью в атмосферу Земли, когда параметры этих качественно разных течений связаны условиями локального моделирования. Для холодных стенок подтверждено подобие нормализованных тепловых потоков во всем диапазоне эффективного коэффициента каталитической рекомбинации атомов при выполнении условий моделирования. Расчетами для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне и для соответствующих параметров входа в атмосферу Земли установлено, что температура равновесно радиационной стенки с хорошей точностью моделируется в дозвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха для высо-кокаталитических поверхностей и с удовлетворительной точностью - для низкокаталитических. Эксперименты по определению интегральной степени черноты поверхности образцов из HfB2-SiC проведены в дозвуковых потоках диссоциированного азота индукционного ВЧ-плазмотрона ВГУ-4. Из сравнения данных измерений температуры поверхности, полученных с помощью пирометра полного излучения «Кельвин» и пирометра «Mikron M-770S», определены спектральная излучательная способность и интегральная степень черноты поверхности образца HfB2-SiC при высоких температурах. Для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 выполнено численное моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания цилиндрической модели сверхзвуковыми неравновесными струями диссоциированного азота. Из сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными по тепловым потокам определен эффективный коэффициент каталитической рекомбинации атомов азота на поверхности керамики HfB2-SiC при температуре поверхности 2400 К.