Экспериментальное исследование эффекта сверхравновесного нагрева поверхности в дозвуковой струе диссоциированного воздуха


Просмотр статьи
PDF, 2,1 МБ

Experimental study of the effect of overequilibrium surface heating in a subsonic jet of dissociated air

The effect of overequilibrium heating of a surface with nonuniform catalytic properties was experimentally studied in a subsonic flow of dissociated air in the IPG-4 RF-plasmatron. A temperature jump was observed on a plate made from the thermal protec-tion material of the Buran orbital vehicle during the transition of the flow from the low-catalytic area of the surface to the high-catalytic area covered with the chromium-nickel spinel NiCr2O4. A temperature jump was also observed on the heat-shielding tile of the Buran orbital vehicle during the transition of the flow from a low-catalytic area of its surface to a medium-catalytic area covered with niobium. The temperatures of surfaces with uniform and nonuniform catalytic properties under the same flow regimes were compared.

overequilibrium heating, catalytic properties, RF-plasmatron, slit nozzle, dissociated air, heat transfer

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.2.929


Том 22, выпуск 2, 2021 год



В ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 экспериментально исследован эффект сверхравновесного нагрева при обтекании поверхности с неоднородными каталитическими свойствами дозвуковым диссоциированным воздушным потоком. На пластине из материала тепловой защиты орбитального корабля «Буран» наблюдался скачок температуры при переходе от низкокаталитического участка поверхности к высококаталитическому участку, покрытому хромоникелевой шпинелью NiCr2O4. На теплозащитной плитке орбитального корабля «Буран» также наблюдался скачок температуры при переходе от низкокаталитического участка поверхности к среднекаталитическому участку, покрытому ниобием. Проведено сравнение температур, реализуемых на поверхностях с однородными и неоднородными каталитическими свойствами при одинаковых режимах обтекания.

сверхравновесный нагрев, каталитичность, ВЧ-плазмотрон, щелевое сопло, диссоциированный воздух, теплообмен

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.2.929


Том 22, выпуск 2, 2021 год



1. Chung P. M., Liu S. W., Mirels H. Effect of discontinuity of surface catalycity on boundary layer flow of dissociated gas //International Journal of Heat and Mass Transfer. 1963. V. 6. №. 3. P. 193-210. https://doi.org/10.1016/0017-9310(63)90106-6
2. 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.
3. Rakich J., Stewart D., Lanfranco M. Results of a flight experiment on the catalytic efficiency of the Space Shuttle heat shield //3rd Joint Thermophysics, Fluids, Plasma and Heat Transfer Conference. 1982. P. 944. https://doi.org/10.2514/6.1982-944
4. Scott C., Derry S. Catalytic recombination and the Space Shuttle heating //3rd Joint Thermophysics, Fluids, Plasma and Heat Transfer Conference. 1982. P. 841. https://doi.org/10.2514/6.1982-841
5. Scott C. D. Effects of nonequilibrium and wall catalysis on Shuttle heat transfer //Journal of Spacecraft and Rockets. 1985. V. 22. №. 5. P. 489-499. https://doi.org/10.2514/3.25059
6. Stewart D., Rakich J., Lanfranco M. Catalytic surface effects experiment on the Space Shuttle //16th Thermophysics Conference. 1982. P. 1143. https://doi.org/10.2514/6.1981-1143
7. Baronets P. N., Kolesnikov A. F., Kubarev S. N., Pershin I. S., Trukhanov A. S., Yakushin M. I. Overequilibrium heating of the surface of a heat-shield tile in a subsonic jet of dissociated air //Fluid Dynamics. 1991. V. 26. №. 3. P. 437-442.
8. Stewart D., Gokcen T., Sepka S., Leiser D., Rezin M. Development of a catalytic coating for a Shuttle flight experiment //10th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. 2010. P. 4321. https://doi.org/10.2514/6.2010-4321
9. Anderson B., Campbell C., Saucedo L., Kinder G., Berger K. Boundary Layer Transition Flight Experiment Overview and In Situ Measurements //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010. P. 240. https://doi.org/10.2514/6.2010-240
10. Berger K., Anderson B., Campbell C., Garske M., Saucedo L., Kinder G., Micklos A. Boundary Layer Transition Flight Experiment Overview //42nd AIAA Thermophysics Conference. 2011. P. 3323. https://doi.org/10.2514/6.2011-3323
11. Stewart D., Kolodziej P. Wall catalysis experiment on AFE //23rd Thermophysics, Plasmadynamics and Lasers Conference. 1988. P. 2674. https://doi.org/10.2514/6.1988-2674
12. Chazot O., Panerai F., Muylaert J. M., Thoemel J. Catalysis phenomena determination in plasmatron facility for flight experiment design //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010. P. 1248. https://doi.org/10.2514/6.2010-1248
13. Panerai F. Olivier C., Tagliaferri E., Rossi G. Testing of the EXPERT thermal protection system junction in a plasma wind tunnel //16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. 2009. P. 7243. https://doi.org/10.2514/6.2009-7243
14. Viladegut A., Panerai F., Chazot O., Pichon T., Bertrand P., Verdy C., Coddet C. Design, integration and preliminary results of the IXV Catalysis experiment //CEAS Space Journal. 2017. V. 9. №. 2.
P. 141-151. https://link.springer.com/article/10.1007/s12567-016-0136-2
15. Bespalov V. L., Voronkin V. G. Theory of a catalytic calorimeter //Fluid Dynamics. 1980. V. 15.
№. 1. – P. 162-165.
16. Bogolepov V. V., Lipatov I. I., Sokolov L. A. Structure of chemically nonequilibrium flows with a sudden change in the temperature and the catalytic properties of the surface //Journal of applied mechanics and technical physics. 1990. V. 31. №. 3. P. 367-377.
17. Гершбейн Э. А., Казаков В. Ю., Тирский Г. А. О развитии ламинарного пограничного слоя за точкой разрыва каталитической активности поверхности //Теплофизика высоких температур. – 1986. Т. 24. №. 6. С. 1132-1142.
18. Гершбейн Э. А., Казаков В. Ю., Щелин B. C. О гиперзвуковом вязком ударном слое на поверхности со скачкообразным изменением каталитической активности //Теплофизика высоких температур. 1985. Т. 23. №. 5. С. 916-921.
19. Inger G., Gnoffo P. Hypersonic entry heating with discontinuous surface catalycity-A combined analytic/CFD approach //Theroretical Fluid Mechanics Conference. 1996. P. 2150.
20. Гордеев А. Н., Колесников А. Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ //Сб. Актуальные проблемы механики: Физико-химическая механика жидкостей и газов. Москва, Наука. 2010. С. 151-177.
21. Гордеев А. Н., Чаплыгин А. В. Экспериментальное исследование теплообмена диссоциированного потока воздуха с плоской пластиной под углом атаки в ВЧ-плазмотроне //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2019. Т.20, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2019-20-1/articles/780/
22. Фрунзе А. Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения //Фотоника. 2009. №. 4. С. 32-37.
23. Баронец П. Н., Гордеев А. Н., Колесников А. Ф., Мысова В. М., Першин И. С.,
Прилепский В. Н., Рулев Ю. К., Труханов А. С., Якушин М. И. Отработка теплозащитных материалов орбитального корабля «Буран» на индукционных плазмотронах //Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации. 1990. Т. 1991. С. 41-52.
24. Щетанов Б. В. Материал плитки для внешнего высокотемпературного теплозащитного покрытия орбитального корабля «Буран» //Авиационные материалы и технологии. 2013. №. S1.
25 Солнцев С. С. Эрозионностойкие влагозащитные терморегулирующие покрытия многоразовой теплозащиты орбитального корабля «Буран» //Авиационные материалы и технологии. 2013. №. S1.
26. Дождиков В. С., Петров В.А. Излучательные характеристики теплозащитных материалов орбитального корабля «Буран» // Инж.-физ.ж. 2000. Т. 73. № 1. С. 26-30.
27. Баринова О. П., Васильков О. О., Просвириков В. М., Токарь С. В. Исследование спектральных характеристик терморегулирующих покрытий на основе хромоникелевой шпинели NiCr2O4 //Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т. 30. №. 7 (176). C. 19-20.
28. Prasad V. V. S., Baligidad R. G., Gokhale A. A. Niobium and Other High Temperature Refractory Metals for Aerospace Applications //Aerospace Materials and Material Technologies. Springer, Singapore, 2017. P. 267-288. https://doi.org/10.1007/978-981-10-2134-3_12
29. Васильевский С. А., Гордеев А. Н., Колесников А. Ф., Чаплыгин А. В. Тепловой эффект поверхностного катализа в дозвуковых струях диссоциированного воздуха: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование //Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2020. №. 5. С. 137-150.
30. Touloukian Y. S. Thermal radiative properties - Metallic elements and alloys //Thermophysical Properties of Matter - The TPRC Data Series. 1970. V. 7. P. 486-490.