ВЧ-плазматрон ВГУ-4 ИПмех РАН как инструмент для исследования кинетики гетерогенных химических реакций, протекающих на поверхности углеродного материала
HF-Plasmatron IPG-4 in IPMech RAS as an instrument for determination of kinetics of heterogeneous chemical reactions on the surface of carbon material
Experimental investigations were carried out on the destruction of thermal protection in oxidizing subsonic jets of the high-frequency plasmatron IPG-4 in IPMech RAS . Оn the basis of experimental data, the effective physical properties of the carbon material were determined with oxidation by molecular and atomic oxygen. All experiments were made in conditions for which dependences of coefficient of heat exchange and pressure of braking in a critical point of model from installation power have been defined. Kinetic constants of this process were defined from the solution of the inverse problem of reproduction in calculations of the total rate of ablation at the fixed dependences of temperature of an ablation on time received as a result results of systematic ablation experiments. It was found that a satisfactory agreement between calculated and theoretical and experimental data on the ablation of carbon material for use in the Arrhenius laws, which were established in a direct physical experiment for molecular oxygen. This conclusion applies to both molecular and atomic oxygen.
Проведены эксперименты по уносу массы тепловой защиты в окислительных дозвуковых струях ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 ИПМех РАН и на основе экспериментальных данных определены эффективные физические свойства углеродного материала по отношению к его окислению молекулярным и атомарным кислородом. Все эксперименты проводились в условиях, для которых были определены зависимости коэффициента теплообмена и давления торможения в кри-тической точке модели от мощности установки. Кинетические константы исследуемого процесса находились из решения обратной задачи по воспроизведению в расчетах суммарной скорости уноса массы материала, соответствующей зафиксированным зависимостям температуры абляции от времени и полученной в результате проведения систематических экспериментальных исследований. В результате проведения указанных исследований было установлено, что наблюдается удовлетворительное соответствие между расчетно-теоретическими и экспериментальными данными по абляции углеродного материала для тех значений порядка реакции и энергии активации в законе Аррениуса, которые были установлены в прямом физическом эксперименте для молекулярного кислорода. Этот вывод относится как к молекулярному, так и к атомарному кислороду.
1. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. – М.: Энергия, 1976. - 391с. 2. Горский В.В. Теоретические основы расчета абляционной тепловой защиты. – М.: Научный мир, 2015. – 688с. 3. Мур Дж.А., Злотник М. Горение углерода в потоке воздуха //Ракетная техника. 1961. Е. 1, № 10. С. 35-45. 4. Блайхолдер Дж., Эйринг Г. Кинетика окисления графита. – В сборнике /Реакции углерода с газами. Под редакцией Е.С. Головиной. – М.: Изд. Иностранной литературы, 1963. С. 182-201. 5. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание в 4-х томах. /Ред. Коллегия В.П. Глушко, Л.В. Гурвич, Г.А. Бергман и др. – М.: Наука, 1979. Т. II, Кн. 2. – 341 с. 6. Горский В.В., Золотарев С.Л., Оленичева А.А. Расчетно-экспериментальные исследования уноса массы углеродного материала на сублимационном режиме его термохимического разрушения //Инженерно-физический журнал. 2015. Том 88, № 1. С. 161-164. 7. Аоки М. Введение в методы оптимизации. Основы и приложения нелинейного программирования. – М.: Наука, 1977. – 343с. 8. Гордеев А.Н., Колесников А. Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ.- в сб. /Актуальные проблемы механики: Физико-химическая механика жидкостей и газов. Москва: Наука, 2010. С. 151-177. 9. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Якушин М.И. Исследование теплообмена на моделях в дозвуковых струях индукционного плазмотрона //Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа. 1983, № 6. С. 129-136. 10. Kolesnikov A.F., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A. and Yakushin M.I. Study of Quartz Surface Catalycity in Dissociated Carbon Dioxide Subsonic Flows // Journal of Spacecraft and Rockets. 2000. V. 37, No. 5. Pp. 573-579. 11. Дорошенко В.М., Мысова В.М., Рулёв Ю.К., Якушин М.И. Измерение энтальпии в дозву-ковых высокотемпературных струях азота и воздуха на индукционном плазмотроне. //ИФЖ. 1987. Т. 53, №3. С. 492 – 493. 12. Kolesnikov A.F., Gordeev A.N., Vasil’evskii S.A., Sakharov V.I. Codes-to-experiment comparison for subsonic inductive air plasma flows in the IPG-4 plasmatron // Proc. 7th Int. Workshop on Magneto plasma Aerodynamics. Moscow. 2007. 13. Горский В.В., Ковальский М.Г., Оленичева А.А. Об определении кинетики окисления уг-лерода атомарным кислородом на базе анализа результатов абляционных экспериментов в струях электродуговых установок. //Инженерно-физический журнал. 2017. Т.90, № 1. С. 133-137. 14. Горский В.В., Дмитриева А.А. Определение кинетических констант гетерогенного окисления углерода на сублимационном режиме его абляции по результатам суммарных абляционных экспериментов //Вопросы оборонной техники. 2017, выпуск 15. 15. Rosner D.E., Allendorf H.D. Comparative Studies of the Attack of Pyrolytic and Isotopic Graph-ite by Atomic and Molecular Oxygen at High Temperatures // AIAA Journal. 1965. V. 16. P. 650. 16. Park C. Effects of Atomic Oxygen Ablation // AIAA Journal. 1976. V. 14. № 11. P 1640. 17. Власов В.И., Залогин Г.Н. Численное моделирование термохимического разрушения углеродосодержащих материалов тепловой защиты // Космонавтика и ракетостроение, 2015, № 2, C. 84
