Heat transfer simulation conditions for vehicles at re-entry velocities of V = 10-11 km/s in plasma jets of the RF-plasmatron
Methods and tools used for increasing heat flux values in the plasma flows within the RF-plasmatron are discussed in connection with necessary studying of heat transfer as well as experiments with ablative thermal protection materials for next generation space vehicles meant for Lunar and Martian missions. Possibilities of total enthalpy growing by means of increasing power feeding into the plasma and applying cooled discharge chambers are considered up to the levels corresponding to the superorbital entry into the Earth atmosphere. Numerical results are presented for gas parameters within the RF-plasmatron discharge chamber at power feeding to the plasma of 300 kW. The thermography imaging tools for measurements of heat transfer to the models and heat shield materials (surface temperatures and heat fluxes) are considered to be advantageous if sighting through the face window of the discharge chamber.
Обсуждаются методы и средства, используемые для повышения уровня тепловых потоков в плазменных струях ВЧ-плазмотрона, необходимых для исследований теплообмена и испытаний уносящихся теплозащитных материалов перспективных космических аппаратов нового поколения, предназначенных для полетов к Луне и Марсу. Рассмотрены возможности повышения энтальпии торможения газа в плазменной струе до уровней, соответствующих полету в атмосфере Земли со второй космической скоростью, за счет увеличения энерговклада в плазму и использовании охлаждаемых разрядных камер. Приведены результаты численных расчетов параметров газа в разрядной камере ВЧ-плазмотрона при значениях вкладываемой в плазму энергии до 300 кВт. Рассмотрены преимущества термовизионных измерений параметров теплообмена моделей и образцов теплозащитных материалов (температур поверхности и тепловых потоков), проводимых через окно в торце разрядной камеры.
1. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. и др. Высокочастотный плазмотрон установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение, 1994, № 2, с.22-32.
2. Anfimov N.A., Knotko V.B. Testing and verification of Re-entry vehicle Thermal protection // First ESA/ESTEC Workshop on Thermal Protection Systems. ESTEC, Noordwijk. 5-7 may, 1993.
3. Knotko V.B., Ruminsky A.N., Vlasov V.I., Zalogin G.N. Zemliansky B.A. Extended Possibilities for Simulating Re-entry Conditions of Space Vehicle in YF-Plasmatron // 4-th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. CIRA, Capua, Italy, 2001.
4. Баронец П.И., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. и др. Отработка теплозащитных материалов орбитального корабля “БУРАН” на индукционных плазмотронах // Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации, 1990,1991гг. – М.: Наука. 1991. С.41-52.
5. Bottin B., Carbonaro M., Paris S., VanDerHaegen V., Novelli A., Venneman D. VKI 1.2 MW Plasmatron facility for the thermal testing of TPS materials. 1998. VKI RP 1998-10. 3-rd European Workshop on Thermal Protection Systems, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, March 25-27, 1998.
6. Herdrich G., Auweter-Kurtz M., Kurtz H., Laux T., Winter M. Operational Behaviour of Inductively Heated Plasma Source IPG3 for Entry Simulations. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. Vol. 16. № 3. July-September 2002.
7. Воинов Л.П., Залогин Г.Н., Лунев В.В., Тимошенко В.П. Сравнительный анализ лабораторных и натурных данных о каталитичности материалов теплозащиты ЛА “Бор” и “Буран” // Космонавтика и ракетостроение. 1994. № 2. С. 51-57.
8. Гордеев А.Н., Залогин Г.Н., Колесников А.Ф. Экспериментальное исследование уноса массы углеродных материалов в потоке чистого диссоциированного азота // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2003. Т.9. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2010-01-12-007.pdf.
9. Залогин Г.Н., Лунев В.В. О каталитических свойствах материалов в неравновесном потоке воздуха// Изв. РАН. МЖГ. 1997. №5. С. 161–170.
10. Власов В.И., Залогин Г.Н., Лунев В.В. О влиянии десорбции компонентов на каталитичность материалов в высокотемпературных многокомпонентных газах. Изв. РАН, МЖГ, 2009, № 3, с. 143-154.
11. 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.
12. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. О моделировании натурных условий при отработке в высокочастотном плазмотроне материалов для теплозащиты гиперзвуковых летательных аппаратов. – Космонавтика и ракетостроение, 2001, № 23, с.8.
13. Chen, Y.-K., Milos, S. Multidimensional Effects on Heatshield Thermal Response for the Orion Crew Module // AIAA Paper 2007-4397, 15p.
14. Новости космонавтики, том 18, № 9 (308), с. 8-12, 2008.
15. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кусов А.Л., Рудин Н.Ф., Тимошенко В.П. Об измерении температуры поверхности материалов, нагреваемых потоком плазмы // Физи-ко-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Т.6. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-08-11-001.pdf.
16. Низкотемпературная плазма, том 6. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны. Под ред. С.В. Дресвина и В.Д. Русанова, Новосибирск, "Наука, Сибирское отделение", 1992, 317 с.
17. Vlasov V.I., Knotko V.B., Zalogin G.N. Zemliansky B.A. Experimental study of silicon carbide oxidation and catalytic activity in dissociated flows of nitrogen and air // European conference for aerospace sciences (EUCASS). Moscow. 2005.
18. Власов В.И. Теоретические исследования течения высокотемпературного газа в разрядной и рабочих камерах ВЧ-плазмоторона // Космонавтика и ракетостроение, ЦНИИМАШ, № 23, 2001, с.18-26.
19. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Новые режимы течения и теплообмена плазмы в высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2008, т.9. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-09-01-020.pdf.
20. Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 224 с.
21. Магунов А.Н. Теплообмен неравновесной плазмы с поверхностью. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 312 с.
22. Park, C. A. Review of Reaction in High Temperature Air // AIAA Paper N 89-1740, p.18.
23. Анфимов Н.А., Румынский А.Н. Лучисто-конвективный теплообмен и теплозащита космических аппаратов, спускаемых на поверхность Земли и других планет. Проблемы механики и теплообмена в космической технике. Сборник статей под ред. О.М. Белоцерковского.–М.: Машиностроение, 1982. – 272 с.
24. Власов В.И., Горшков А.Б., Ковалев Р.В., Чураков Д.А. Расчет теплообмена пилотируемых космических аппаратов при гиперзвуковом полете в земной атмосфере // Материалы XXI Научно-технической конференции по аэродинамике. ЦАГИ. 25-26 февраля 2010 г. Тез. докл. с. 48.
