Экспериментальное определение энергетических параметров плазменного потока в установке с высокочастотным нагревом газа


Просмотр статьи
PDF, 1,4 МБ

Experimental definition of the plasma flow energetic parameters in the high frequency warming gas facility

Results of the plasma flow energetic parameters experimental investigation are presented in the paper. Plasma is generated in the high temperature facility with high frequency plasmotron (HF plasmotron) with energy power of 1MW. Four types of plasma formed gases were used: argon, nitrogen, air and carbonic acid gas. Gas mass flux was fixed as G = 5 g/s, work chamber pressure was varied as р = 1000÷20000 Pa and anode voltage input energy N = 50÷300 kW. Estimation of the HF plasmotron energy input efficiency factor is based on the direct definition of plasma plume power using special constructed heat exchange facility presented on the fig. 1. Radiation heat flux from the plasma gas discharge was measured using Gordon heat sensor with sapphire window. Heat sensor was situated at the end of discharge chamber (fig. 2). Low limits on power and gas pressure of discharge existence in the mentioned above gases were defined. It was shown that under the big levels of radiation heat fluxes from plasma plume, method of surface atoms heterogeneous recombination probability definition should be improved.

high frequency plasmotron, efficiency factor, plasma, radiation heat flux


Том 17, выпуск 2, 2016 год



В работе представлены результаты экспериментальных исследований энергетических параметров плазменных потоков в высокотемпературной установке с высокочастотным индукционным плазмотроном (ВЧ плазмотроном) мощностью 1 МВт. Эксперименты проводились с использованием четырех плазмообразующих газов: аргона, азота, воздуха и углекислого газа при фиксированном расходе газа G = 5 г/с, в широком диапазоне давлений р = 10÷200 гПа, и потребляемой мощности (энерговклада) N = 50÷300 кВт. Определение теплового коэффициента полезного действия (кпд) установки с ВЧ плазмотроном, основывается на непосредственном измерении мощности плазменной струи специальным теплообменником. Лучистые тепловые потоки от газоразрядной плазмы измерялись датчиком Гардона с сапфировым окном, расположенным в торце разрядной камеры. Были определены также нижние границы (по мощности) существования разряда в перечисленных газах и зависимость положения границы от давления. Показано, что при значительном уровне лучистых потоков от плазменной струи, методика определения вероятности гетерогенной рекомбинации атомов на поверхности материалов должна быть усовершенствована.

высокочастотный плазмотрон, КПД, плазма, лучистый поток


Том 17, выпуск 2, 2016 год



1. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. и др. Высокочастотный плазмоторон - установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение. ‒ 1994. № 2, c. 22-32.
2. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. О моделировании натурных условий теплообмена в высокочастотном плазмотроне материалов для теплозащиты гиперзвуковых летательных аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. ‒ 2001. № 23, с. 85-93.
3. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высокоэнтальпийного потока к критической точке затупленного тела // Изв. РАН. МЖГ. – 1993. № 1, с. 172-180.
4. Власов В.И., Залогин Г.Н., Ковалёв Р.В., Рудин Н.Ф., Тренёв М.Г. Условия моделирования теплообмена спускаемых аппаратов при скоростях входа V= 10-11 км/с в плазменных струях ВЧ-плазмотрона // Электронный журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике». 2011 г. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2011-02-12-001.pdf
5. Carmona P.R. Invistigation of Plasmatron Performance for Mars Entry // Von Karman Institute for Fluid Dynamics. Project Report 2003-30.
6. Власов В.И., Залогин Г.Н., Кнотько В.Б. Диагностика неравновесного плазменного потока высокочастотного индукционного плазмотрона с применением двойного каталитического зонда // Космонавтика и ракетостроение. – 2000. № 19, с. 97-106.
7. Дресвин С.В., Бобров А.А., Лелёвкин В.М. и др. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны.– Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1992.–319 с.
8. Рыкалин Н.Н., Сорокин Л.М. Металлургические ВЧ-плазмотроны: Электро- и газодинамика. М.: Наука, 1987, 163 с.
9. Власов В.И. Теоретические исследования течения высокотемпературного газа в разрядной и рабочей камерах ВЧ-плазмотрона // Космонавтика и ракетостроение. ‒ 2001. № 23, с.18-26.
10. Власов В.И. Численное моделирование неравновесного течения в разрядной камере ВЧ-плазмотрона // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений. Тез. докл. международной конф., ЦАГИ. 2004, с. 294-295.
11. Massuti-Ballester B., Pidan S., Herdrich G., Fertig M. Recent catalysis measurements at IRS // Advances in Space Research. Vol. 56, 2015, pp.742–765.
12. Физико-химические процессы в газовой динамике. Компьютеризованный справочник в 3-х томах. Том 1. Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. – М.: Изд. Моск. Ун-та. 1995, 350 с.
13. Воронкин В.Г., Залогин Г.Н. О механизме рекомбинации атомарного азота вблизи каталитической поверхности, обтекаемой диссоциированным воздухом // Изв. АН СССР, МЖГ, № 3, 1980. С.156-158.
14. Брылкин Ю.В., Власов В.И., Залогин Г.Н., Кусов А.Л., Рудин Н.Ф. Экспериментальные исследования влияния структуры поверхности материалов на их каталитическую активность // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Том 17, вып. 1. hppt://www.chemphys. edu.ru/pdf/2016-17-01-004.pdf
15. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т.1/ Под общ. ред. Ю.Н. Коптева. – М.: ИПРЖР, 1998. 458 с.
16. Zalogin G.N., Zemlyansky B.A., Knotko V.B., Rumynskyi A.N. Experimental Study of Different Thermal Protection Materials in Dissociated Carbon Dioxide Flow. Third European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. ESTEC, Noordwijk, 1998.