Абляция графита в дозвуковых диссоциированных потоках азота, углекислого газа, их смеси и при лазерном нагреве поверхности


Просмотр статьи
PDF, 4,1 МБ

Graphite ablation in subsonic dissociated flows of nitrogen, carbon dioxide, their mixture and under laser surface heating

Graphite ablation in subsonic jets of dissociated nitrogen, carbon dioxide and their mixture was studied using VGU-4 RF plasmatron. A laser source was used for additional radiative heating of the samples. Numerical modeling was done for subsonic flows of nitrogen and carbon dioxide plasma under experimental conditions using the Navier-Stokes equations. Heat fluxes in high-enthalpy jets were measured by probe and plasma emission spectra were collected for the experimental regimes. The behavior of graphite when heated only by laser radiation in nitrogen environment, heated in nitrogen plasma and combined heated was studied. The effect of high-enthalpy flow chemical composition and heating conditions on the graphite mass loss was demonstrated

graphite, ablation, plasma, laser heating

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.3.1187

Алексей Владимирович Чаплыгин, Михаил Юрьевич Якимов, Сергей Александрович Васильевский, Илья Васильевич Лукомский, Семен Сергеевич Галкин, Михаил Алтаевич Котов, Андрей Николаевич Шемякин, Николай Германович Соловьев, Анатолий Федорович Колесников

Том 26, выпуск 3, 2025 год



В ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 исследована абляция графита в дозвуковых струях диссоциированного азота, углекислого газа и их смеси. Для дополнительного радиационного нагрева образцов использовался источник лазерного излучения. Проведено численное моделирование дозвуковых течений плазмы азота и углекислого газа для режимов экспериментов на основе уравнений Навье-Стокса. Выполнены зондовые измерения тепловых потоков в высокоэнтальпийных струях и зарегистрированы спектры излучения плазмы для режимов экспериментов. Изучено поведение графита при нагреве только лазерным излучением в среде азота, нагреве только в плазме азота и при комбинированном нагреве. Показано влияние химического состава высокоэнтальпийного потока и условий нагрева на массовый унос графита

графит, абляция, плазма, лазерный нагрев

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.3.1187

Алексей Владимирович Чаплыгин, Михаил Юрьевич Якимов, Сергей Александрович Васильевский, Илья Васильевич Лукомский, Семен Сергеевич Галкин, Михаил Алтаевич Котов, Андрей Николаевич Шемякин, Николай Германович Соловьев, Анатолий Федорович Колесников

Том 26, выпуск 3, 2025 год



1. Poloni E., Bouville F., Schmid A.L., Pelissari P.I., Pandolfelli V.C., Sousa M.L., Tervoort E., Christidis G., Shklover V., Leuthold J., Studart A.R. Carbon ablators with porosity tailored for aerospace thermal protection during atmospheric re-entry // Carbon. 2022. Vol. 195. Pp. 80–91.
DOI: 10.1016/j.carbon.2022.03.062
2. Mangalgiri P.D. Composite materials for aerospace applications // Bull. Mater. Sci. 1999. Vol. 22, № 3. Pp. 657–664.
DOI: 10.1007/BF02749982
3. Pulci G., Tirillò J., Marra F., Fossati F., Bartuli C., Valente T. Carbon–phenolic ablative materials for re-entry space vehicles: Manufacturing and properties // Compos. Part Appl. Sci. Manuf. 2010. Vol. 41, № 10. Pp. 1483–1490.
DOI: 10.1016/j.compositesa.2010.06.010
4. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976. 392 c.
5. Duffa G. Ablative Thermal Protection Systems Modeling. Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2013.
DOI: 10.2514/4.101717
6. Park C. Effects of atomic oxygen on graphite ablation // AIAA J. 1976. Vol. 14, № 11. Pp. 1640–1642.
DOI: 10.2514/3.7267
7. Walls J.R., Strickland-Constable R.F. Oxidation of carbon between 1000–2400°C // Carbon. 1964. Vol. 1, № 3. Pp. 333–338.
DOI: 10.1016/0008-6223(64)90288-X
8. Metzger J.W., Engel M.J., Diaconis N.S. Oxidation and sublimation of graphite in simulated re-entry environments // AIAA J. 1967. Vol. 5, № 3. Pp. 451–460.
DOI: 10.2514/3.4001
9. Goldstein H.W. The Reaction of Active Nitrogen with Graphite // J. Phys. Chem. American Chemical Society, 1964. Vol. 68, № 1. Pp. 39–42.
DOI: 10.1021/j100783a007
10. Suzuki T., Fujita K., Ando K., Sakai T. Experimental Study of Graphite Ablation in Nitrogen Flow // J. Thermophys. Heat Transf. 2008. Vol. 22, № 3. Pp. 382–389.
DOI: 10.2514/1.35082
11. Helber B., Turchi A., Magin T.E. Determination of active nitridation reaction efficiency of graphite in inductively coupled plasma flows // Carbon. 2017. Vol. 125. Pp. 582–594.
DOI: 10.1016/j.carbon.2017.09.081
12. Grigat F., Löhle S., Eberhart M., Meindl A., Poloni E., Ravichandran R., Zuber C., Fasoulas S. Spallation of Carbon Ablators in Arcjet Facility Experiments // J. Thermophys. Heat Transf. 2023. Vol. 37, № 2. Pp. 341–352.
DOI: 10.2514/1.T6587
13. Martin A., Bailey S.C., Panerai F., Davuluri R.S., Zhang H., Vazsonyi A.R., Lippay Z.S., Mansour N.N., Inman J.A., Bathel B.F., Splinter S.C. Numerical and experimental analysis of spallation phenomena // CEAS Space J. 2016. Vol. 8, № 4. Pp. 229–236.
DOI: 10.1007/s12567-016-0118-4
14. 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. 2010. Т. 9.
15. Kolesnikov A.F., Lukomskii I.V., Sakharov V.I., Chaplygin A.V. Experimental and Numerical Modeling of Heat Transfer to Graphite Surface in Underexpanded Dissociated-Nitrogen Jets // Fluid Dyn. 2021. Vol. 56, № 6. Pp. 897–905.
DOI: 10.1134/S0015462821060070
16. Chaplygin A., Yakimov M., Vasil’evskii S., Kotov M., Lukomskii I., Galkin S., Shemyakin A., Solovyov N., Kolesnikov A. Combined Plasma and Laser Heating of Graphite // Plasma. 2025. 8(1), 9.
DOI: 10.3390/plasma8010009
17. Gordeev A. Overview of characteristics and experiments in IPM plasmatrons // VKI Spec. Course Meas. Tech. High Enthalpy Plasma Flows. Rhode-Saint-Genese, 1999.
18. Chaplygin A., Kotov M., Yakimov M., Lukomskii I., Galkin S., Kolesnikov A., Shemyakin A., Solovyov N. Combined Surface Heating by Laser Beam and Subsonic Nitrogen Plasma Jet // Fluids. 2023. 8(1), 11.
DOI: 10.3390/fluids8010011
19. Biasetto L., Manzolaro M., Andrighetto A. Emissivity measurements of opaque gray bodies up to 2000 °C by a dual-frequency pyrometer // Eur. Phys. J. A. 2008. Vol. 38, № 2. Pp. 167–171.
DOI: 10.1140/epja/i2008-10666-6
20. Purpura C. Methods for the Material Spectral Emissivity Evaluation by Dual-Color Pyrometer in a Hypersonic Plasma Test Facility // IEEE J. Miniaturization Air Space Syst. 2021. Vol. 2, № 2. Pp. 92–97.
DOI: 10.1109/JMASS.2020.3023968
21. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия, 1974. 472 с.
22. Thorn R.J., Simpson O.C. Spectral Emissivities of Graphite and Carbon // J. Appl. Phys. 1953. Vol. 24, № 5. Pp. 633–639.
DOI: 10.1063/1.1721341
23. Kramida A., Ralchenko Y. NIST Atomic Spectra Database, NIST Standard Reference Database 78. National Institute of Standards and Technology, 1999.
DOI: 10.18434/T4W30F
24. Chaplygin A., Simonenko E., Simonenko N., Kotov M., Yakimov M., Lukomskii I., Galkin S., Kolesnikov A., Vasil’evskii S., Shemyakin A., Solovyov N. Heat transfer and behavior of ultra high temperature ceramic materials under exposure to supersonic carbon dioxide plasma with additional laser irradiation // Int. J. Therm. Sci. 2024. Vol. 201. P. 109005
DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2024.109005
25. Kolesnikov A.F., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A., Yakushin M.I. Study of Quartz Surface Catalycity in Dissociated Carbon Dioxide Subsonic Flows // J. Spacecr. Rockets. 2000. Vol. 37, № 5. Pp. 573–579.
DOI: 10.2514/2.3629
26. Patankar S.V., Spalding D.B. A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows // Numerical Prediction of Flow, Heat Transfer, Turbulence and Combustion. 1983. Pp. 54–73.
DOI: 10.1016/B978-0-08-030937-8.50013-1
27. Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow // Washington. 1980. 214 p.
DOI: 10.1201/9781482234213
28. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V., Lysenkov A.S., Nagornov I.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Oxidation of HfB2-SiC-Ta4HfC5 ceramic material by a supersonic flow of dissociated air // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. Vol. 41, № 2. Pp. 1088–1098.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.001