Диагностика дозвуковых струй воздушной плазмы в высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-3


Просмотр статьи
PDF, 3,6 МБ

Characterization of subsonic air plasma jets in the VGU-3 high-frequency induction plasmatron

The distributions of dynamic pressures and heat fluxes in subsonic jets of the VGU-3 high-frequency plasmatron flowing from a conical water-cooled nozzle with an outlet diameter of 80 mm were obtained experimentally. Dynamic pressures were measured using a Pitot-Prandtl tube. Heat fluxes were measured using a water-cooled calorimetric probe with a copper heat-absorbing surface. A thermal imager was used to obtain temperature distributions on the outer surface of the quartz discharge channel of the plasmatron with and without the nozzle installed. All experiments were conducted at anode power supplies of 100 and 250 kW for pressures in the plasmatron test chamber of 5 and 10 kPa.

HF plasmatron, dissociated air, plasma diagnostics, induction plasma

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.7.1218


Том 26, выпуск 7, 2025 год



Экспериментально получены распределения динамических давлений и тепловых потоков в дозвуковых струях ВЧ-плазмотрона ВГУ-3, истекающих из конического водоохлаждаемого сопла с диаметром выходного сечения 80 мм. Динамические давления измерены трубкой Пито-Прандтля. Тепловые потоки измерены водоохлаждаемым калориметрическим зондом с медной тепловоспринимающей поверхностью. С помощью тепловизора получены распределения температур на внешней поверхности кварцевого разрядного канала плазмотрона при использовании сопла и без установленного сопла. Все эксперименты проведены при мощностях анодного питания 100 и 250 кВт для давлений в испытательной камере плазмотрона 5 и 10 кПа.

ВЧ-плазмотрон, диссоциированный воздух, диагностика плазмы, индукционная плазма

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.7.1218


Том 26, выпуск 7, 2025 год



1. Залогин Г. Н., Землянский Б. А., Кнотько В. Б., Мурзинов И. Н., Румынский А. Н., Кузьмин Л. А. Высокочастотный плазмотрон – установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение. 1994. № 2. С. 22–32.
2. Егоров И. В., Жестков Б. Е., Шведченко В. В. Определение каталитической активности материалов при высоких температурах в гиперзвуковой трубе ВАТ-104 // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. 45, № 1. С. 3–13.
3. 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.
4. Loehle S., Zander F., Eberhart M., Hermann T., Meindl A., Massuti-Ballester B., Leiser D., Hufgard F., Pagan A.S., Herdrich G., Fasoulas S. Assessment of high enthalpy flow conditions for re-entry aerothermodynamics in the plasma wind tunnel facilities at IRS // CEAS Space J. 2022. Vol. 14, № 2. Pp. 395–406. DOI: 10.1007/s12567-021-00396-y
5. Loehle S., Fasoulas S., Herdrich G. H., Hermann T.A., Massuti-Ballester B., Meindl A., Pagan A. S., Zander F. The Plasma Wind Tunnels at the Institute of Space Systems: Current Status and Challenges // 32nd AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference. Washington, D.C.: AIAA, 2016. p. 3201. DOI: 10.2514/6.2016-3201
6. Herdrich G., Auweter-Kurtz M., Kurtz H. L., Laux T., Winter M. Operational Behavior of Inductively Heated Plasma Source IPG3 for Entry Simulations // J. Thermophys. Heat Transf. 2002. Vol. 16, № 3. Pp. 440–449. DOI: 10.2514/2.6698
7. El Rassi J., Holum S., Sombaert L., Viladegut A., Walpot L., Chazot O., Helber B. Upgraded VKI Plasmatron capabilities with supersonic nozzles for extended material characterization methods // SAMPE Journal. 2024. Vol. 60, № 2. DOI: 10.33599/SJ.v60no2.02
8. Bottin B., Chazot O., Carbonaro M., Van Der Haegen V., Paris S. The VKI Plasmatron Characteristics and Performance // RTO EN-8. Rhode-Saint-Genese, 2000.
9. Bottin B., Paris S., Van Der Haegen V., Carbonaro M. Experimental and computational determination of the VKI Plasmatron operating envelope // 30th Plasmadynamic and Lasers Conference. Norfolk, VA, U.S.A.: AIAA, 1999. p. 3607.
10. Capponi L., Oldham T., Konnik M., Stephani K., Bodony D.J., Panesi M., Elliott G. S., Panerai F. Aerothermal characterization of the Plasmatron X Wind Tunnel: Heat flux, Stagnation Pressure and Jet Unsteadiness // AIAA SCITECH 2023 Forum. National Harbor, MD: AIAA, 2023. p. 1338. DOI: 10.2514/6.2023-1338
11. Greene B. R., Clemens N. T., Varghese P. L., Bouslog S., Del Papa S. V. Characterization of a 50kW inductively coupled plasma torch for testing of ablative thermal protection materials // 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 2017. p. 0394. DOI: 10.2514/6.2017-0394
12. Uhl J., Owens W., Dougherty M., Lutz A., Meyers J., Fletcher D. Pyrolysis Simulation in an ICP Torch Facility // 42nd AIAA Thermophysics Conference. Honolulu, Hawaii: AIAA, 2011. p 3618. DOI: 10.2514/6.2011-3618
13. Sun C., Li J., Li R., Wei Q. Measurement of antenna radiation patterns coated with plasma // AIP Adv. 2025. Vol. 15, № 8. p. 085213. DOI: 10.1063/5.0287827
14. Ding F., Liu Y., Jia J., Li X., Li J., Zhao Y., Li R. Three-dimensional reconstruction of the emission field of the inductively coupled plasma jet // Phys. Plasmas. 2023. Vol. 30, № 8. p. 083508. DOI: 10.1063/5.0147405
15. Fang S., Lin X., Zeng H., Zhu X., Zhou F., Yang J., Li F., Ou D., Yu X. Gas–surface interactions in a large-scale inductively coupled plasma wind tunnel investigated by emission/absorption spectroscopy // Phys. Fluids. 2022. Vol. 34, № 8. p. 082113. DOI: 10.1063/5.0102274
16. Ito T., Ishida K., Mizuno M., Sumi T., Matsuzaki T., Nagai J., Murata H. 110kW New High Enthaply Wind Tunnel Heated by Inductively-Coupled-Plasma // 12th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies. Norfolk, Virginia: AIAA, 2003. p. 7023. DOI: 10.2514/6.2003-7023
17. Studer D., Vervisch P. Raman scattering measurements within a flat plate boundary layer in an inductively coupled plasma wind tunnel // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 102, № 3. p. 033303. DOI: 10.1063/1.2768067
18. Conte D., Sauvage N., Tran P., Vervisch P., Bourdon A., Desportes A. EADS-LV and CORIA Common Approach on Catalycity Measurement // Hot Structures and Thermal Protection Systems for Space Vehicles. 2003. Vol. 521. p. 313.
19. Herdrich G., Auweter-Kurtz M., Déportes A., Endlich P., Laux T., Van Ootegem B., Vervisch P. Experiments at the Inductively Heated Plasma Wind Tunnels of CORIA and IRS // 22nd AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference. St. Louis, Missouri: AIAA, 2002. p. 2711. DOI: 10.2514/6.2002-2711
20. Gordeev A. N., Kolesnikov A. F., Yakushin M. I. Induction plasma application to Buran’s heat protection tiles ground tests // SAMPE Journal. 1992. Т. 28, № 3. С. 27-31.
21. Тимошенко В. П., Просунцов П. В., Резник С. В. Анализ теплового состояния конструкции орбитального корабля «Буран» в зонах возможного повреждения элементов теплозащитного покрытия // Известия вузов. Машиностроение. 2024. № 6 (771). С. 94-107.
22. 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. 7. http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/453/
23. Колесников А. Ф., Васильевский С. А., Щелоков С. Л., Чаплыгин А. В., Галкин С. С. Анализ возможностей локального моделирования аэродинамического нагрева в мощном ВЧ-плазмотроне ВГУ-3 // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 116-124.
24. Чаплыгин А. В., Васильевский С. А., Гордеев А. Н., Колесников А. Ф. Новые режимы теплообмена в высокочастотном мегаваттном индукционном плазмотроне ВГУ-3 // Сборник трудов в 4 томах XII Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Т. 2: Механика жидкости и газа. Уфа: РИЦ БашГУ. 2019. С. 921–922.
25. Чаплыгин А. В., Васильевский С. А., Галкин С. С., Колесников А. Ф. Тепловое состояние неохлаждаемого кварцевого разрядного канала мощного высокочастотного индукционного плазмотрона // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23, вып. 2. DOI: 10.33257/PhChGD.23.2.990
26. Gordeev A. N., Pershin I. S., Yakushin M. I. Heat Regimes of Quartz Discharge Channel of Powerful Induction Plasmotron IPG-3-200 // Environmental Testing for Space Programms. 1997. Vol. 408. p. 189.
27. Touloukian Y. S., DeWitt D. P. Thermophysical properties of matter. The TPRC data series. Vol. 8. Thermal radiative properties-nonmetallic solids. 1972.
28. Петунин А. Н. Методы и техника измерения параметров газового потока (приемники давления и скоростного напора). М.: Машиностроение. 1972. 332 с.
29. ASTM E422-05 Standard Test Method for Measuring Heat Flux Using a Water-Cooled Calorimeter. American Society for Testing and Materials, 2011. DOI: 10.1520/E0422-05
30. Галкин С. С., Колесников А. Ф., Сахаров В. И., Чаплыгин А. В. Исследование влияния формы модели на конвективные тепловые потоки к холодной каталитической поверхности в сверхзвуковых струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т.22, вып. 3. DOI: 10.33257/PhChGD.22.3.941