Simulation of entry heating conditions for the EXOMARS vehicle using the IPG-4 plasmatron




The IPG-4 plasmotron has been used to obtain subsonic flows of dissociated Martian atmosphere composition (97% CO2 + 3% N2) with specified enthalpies 13.8 MJ/kg and 9 MJ/kg at stagnation pressures 80 гПа and 40 гПа. The four regimes were realized close to specified conditions to measure stagnation point heat fluxes to water-cooled surfaces of Ag, Cu, stainless steel and SiO2. Obtained results for all regimes have showed that maximum heat flux to silver is about two times higher than heat flux to quartz. Copper and stainless steel showed intermediate heat flux values and heat flux to copper was always higher than heat flux to stainless steel. It is necessary to oxidize silver surface in dissociated CO2 flow during 15-20 minutes to reach the maximum heat flux. After few minutes break of
plasma/surface interaction it is necessary to repeat training silver surface in CO2 plasma again. This work has been carried out in the framework of the SACOMAR Project and supported by REA (EC) Grant No. 263210.

high-frequency induction plasma torch, heat flow, pattern material


Volume 14, issue 2, 2013 year


Моделирование условий входа спускаемого аппарата EXOMARS в атмосферу марса на индукционном плазмотроне ВГУ-4

На высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 получены дозвуковые потоки плазмы марсианской атмосферы (97% CO2 + 3% N2) с близкими к заданным значениям энтальпии 13.8 и 9 МДж/кг при давлениях торможения 80 и 40 гПа. В четырёх реализованных режимах измерены тепловые потоки к серебру, меди, нержавеющей стали и кварцу. Во всех исследованных режимах максимальный тепловой поток наблюдается к серебряной поверхности, а минимальный − к кварцевой, при этом во всех режимах тепловой поток к меди выше, чем к нержавеющей стали. Обнаружено, что для получения максимального теплового потока к серебряной поверхности в потоке диссоциированного углекислого газа требуется окисление датчика в потоке в течение 15−20 минут, причём после вывода калориметра из струи хотя бы на несколько минут и его повторного ввода в струю тепловой поток существенно снижается и необходимо проводить повторную тренировку поверхности в потоке плазмы углекислого газа в течение не менее 5 минут.

высокочастотный индукционный плазмотрон, тепловой поток, материал модели


Volume 14, issue 2, 2013 year



1. Chen Y.-K., Henline W.D., and Tauber M.E. Mars Pathfinder
Trajectory-Based Heating and Ablation Calculations
// Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 32, No. 2, 1995,
Pp. 225-230.
2. Mitcheltree R.A., and Gnoffo P.A. Wake Flow About the
Mars Pathfinder Entry Vehicle // Journal of Spacecraft and
Rockets, Vol. 32, No. 5, 1995, Pp. 771-776.
3. Chen Y.-K., Henline W.D., Stewart D.A., and Candler G.V.
Navier-Stokes Solutions with Surface Catalysis for Martian
Atmosphere Entry // Journal of Thermophysics and Heat
Transfer, Vol. 30, No. 1, 1993, Pp. 45-52.
4. Bose, D., Wright M.J., and Palmer G.E. Uncertainty Analysis
of Laminar Aeroheating Predictions for Mars Entries //
Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 20, No.
4, 2006, Pp. 652-662.
5. Kolesnikov A.F., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A., Yakushin
M.I. Study of Quartz Surface Catalycity in Dissociated
Carbon Dioxide Subsonic Flows // Journal of Spacecraft and
Rockets, Vol. 37, No. 5, Pp. 573-579.
6. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Якушин М.И. Иссле-
дование теплообмена в дозвуковых струях безэлектрод-
ного плазмотрона // Изв. АН СССР. МЖГ, 1983, №6,
С. 129-135.
7. Greaves J.C., Linnett J.W. Recombination of Oxygen
Atoms at Surfaces // Transactions of the Faraday Society.
1958, V.54, Pp. 1323−1330.
8. Melin G.A., Madix R.J. Energy Аccommodation during
Oxygen Atom Recombination on Metal Surfaces. Transactions
of the Faraday Society. 1971, V.67, pp.198-211.
9. Колесников А.Ф., Якушин М.И. Об определении эффек-
тивных вероятностей гетерогенной рекомбинации ато-
мов по тепловым потокам к поверхности, обтекаемой
диссоциированным воздухом. Математическое модели-
рование, 1989, Т. 1, № 3, С. 44–60.
10. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное иссле-
дование течения и теплообмена в индукционном плаз-
мотроне и определение каталитической активности ма-
териалов. В сб.: Актуальные проблемы механики. Ме-
ханика жидкости, газа и плазмы. М., Наука, 2008.
С.95-123.