Лаборатория взаимодействия плазмы и излучения с материалами. Юбилейные материалы и достижения 2015–2025 к 60-летию ИПМех РАН

• Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.
• Из истории лаборатории

Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.

1. Экспериментальные исследования теплообмена при комбинированном воздействии на поверхность до- и сверхзвуковых потоков плазмы различного химического состава и лазерного излучения

   На индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 проведены эксперименты по исследованию теплообмена образцов материалов при комбинированном нагреве поверхности потоками плазмы различного химического состава (азота N₂ и диоксида углерода CO₂) и лазерным излучением. Изучено комбинированное воздействие струи плазмы и лазерного излучения на образцы из низкотеплопроводного материала ТЗМК-10, карбида кремния, графита и высокотемпературной керамики на основе HfB₂-SiC. Включение в состав ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 мощного источника лазерного излучения существенно расширило возможности моделирования аэродинамического нагрева тел при спуске в атмосферах планет.

   • 
     Образец теплозащитного материала
     в режиме комбинированного нагрева
     струей азотной плазмы
     и лазерным излучением
   1. Chaplygin A.V., Kotov M.A., Yakimov M.Yu., Lukomskii I.V., Galkin S.S., Kolesnikov A.F., Shemyakin A.N., Solovyov N.G. Combined Surface Heating by Laser Beam and Subsonic Nitrogen Plasma Jet // Fluids. 2023. Vol. 8. No. 1. Article 11. DOI: 10.3390/fluids8010011
   2. 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 // International Journal of Thermal Sciences. 2024. Vol. 201. Article 109005. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2024.109005
   3. Chaplygin A.V., Galkin S.S., Kotov M.A., Yakimov M.Yu., Lukomskii I.V., Kolesnikov A.F., Shemyakin A.N., Solovyov N.G. Heat Transfer and Behavior of Silicon Carbide in Subsonic Nitrogen and Carbon Dioxide Plasma Flows under Additional Radiative Heating // Fluid Dyn. 2023. Vol. 58. No. 8. P. 1483-1494. DOI: 10.1134/S0015462823330017
2. Экспериментальные исследования поведения и теплообмена высокотемпературных керамических материалов на основе HfB₂-SiC в сверхзвуковых потоках воздушной плазмы

   В сверхзвуковых струях воздушной плазмы ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 исследован теплообмен образцов высокотемпературных керамических материалов на основе HfB₂-SiC. Изучено влияние легирующих добавок (графена и сверхтугоплавкого карбида тантала-гафния) на поведение базового керамического материала. Выявлено положительное влияние допирования материала указанными добавками на его термохимическую стойкость.

   1. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T., Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V., Lysenkov A.S. Oxidation of HfB₂-SiC-Ta₄HfC₅ ceramic material by a supersonic flow of dissociated air // Journal of the European Ceramic Society. 2021. Vol. 41. No. 2. P. 1088-1098. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.001
   2. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A., Simonenko T.L., Gubin S.P., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V., Lysenkov A.S. Oxidation of graphene-modified HfB₂-SiC ceramics by supersonic dissociated air flow // Journal of the European Ceramic Society. 2022. Vol. 42. No. 1. P. 30-42. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.09.020
3. Экспериментальные исследования пространственного теплообмена пластин в дозвуковых струях воздушной плазмы, натекающих на поверхность под углом атаки из щелевых сопел ВЧ-плазмотронов

   В ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 исследован теплообмен дозвуковых струй диссоциированного воздуха, истекающих из щелевого сопла, с поверхностью плоской пластины под углом атаки. Определены тепловые потоки для низкокаталитической поверхности теплозащитной плитки орбитального корабля «Буран» в зависимости от мощности генератора, давления в барокамере и угла атаки. Проведено сравнение параметров теплообмена для медной поверхности и низкокаталитической поверхности плитки для одинаковых режимов обтекания. Исследованы особенности теплообмена на поверхности пластины с разрывом каталитических свойств.

   1. Gordeev A.N., Chaplygin A.V. Experimental Studies on Heat Transfer between Dissociated Air Flow and a Flat Plate at an Angle of Attack in an HF-Plasmatron // Fluid Dyn. 2022. Vol. 57 (Suppl. 1). P. S117-S133. DOI: 10.1134/S0015462822601206
   2. Chaplygin A.V. Experimental Study of the Overequilibrium Surface Heating Effect in a Subsonic Dissociated Air Jet // Fluid Dyn. 2023. Vol. 58. No. 4. P. 712-722. DOI: 10.1134/S0015462823601006
4. Исследования теплового эффекта поверхностного катализа в дозвуковых струях диссоциированного воздуха, азота и углекислого газа: эксперименты на плазмотроне ВГУ-4 и численное моделирование

   Исследовано влияние каталитической гетерогенной рекомбинации атомов O, N и молекул CO на тепловой поток к цилиндрическим моделям, обтекаемым дозвуковыми струями диссоциированного воздуха, азота и углекислого газа CO₂, для различных материалов поверхности: металлов (меди Cu, серебра Ag, тантала Ta, молибдена Mo, бериллия Be, ниобия Nb, золота Au), кварца SiO₂, карбида кремния SiC. Из сопоставлений измеренных и рассчитанных тепловых потоков определены эффективные коэффициенты рекомбинации атомов O, N и молекул CO для различных материалов.

   • 
     Карта тепловых потоков q_w
     и экспериментальные данные для воздуха.
     Цветные кривые – расчеты q_w
     с заданными значениями эффективного
     коэффициента γ_w от 1.0 до 0;
     символами обозначены экспериментальные значения
     тепловых потоков к поверхностям образцов
     из различных материалов
   1. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А. Эффекты каталитической рекомбинации на поверхностях металлов и кварца для условий входа в атмосферу Марса // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. № 1. С. 32-40.
      = Kolesnikov A.F., Gordeev A.N., Vasil'evskii S.A. // High Temp. 2016. Vol. 54. No. 1. P. 29-37. DOI: 10.1134/S0018151X1505017X
   2. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А. Теплообмен в дозвуковых струях диссоциированного азота: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 3. С. 417-423.
      = Kolesnikov A.F., Gordeev A.N., Vasil'evskii S.A. // High Temp. 2018. Vol. 56. No. 3. P. 398-403. DOI: 10.1134/S0018151X18030124
   3. 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 // Изв. РАН. МЖГ. 2020. № 5. С. 137-150. mzg.ipmnet.ru/ru/Issues/2020/5/137 DOI: 10.31857/S0568528120050138
      = Vasil'evskii S.A., Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V. Thermal Effect of Surface Catalysis in Subsonic Dissociated-Air Jets. Experiment on a High-Frequency Plasmatron and Numerical Modeling // Fluid Dyn. 2020. Vol. 55. No. 5. P. 708-720. DOI: 10.1134/s0015462820050134
5. Разработка теории и технического подхода к прямому локальному моделированию аэродинамического нагрева тел при входе в атмосферу в высокоэнтальпийных струях газов ВЧ-плазмотронов ВГУ-4 и ВГУ-3

   Установлено подобие тепловых потоков в точках торможения на поверхностях затупленных тел, нормированных на предельные значения для абсолютно каталитических и некаталитических поверхностей, при условии, что энтальпии, давления торможения и градиенты скорости связанны условиями локального моделирования теплообмена. Разработана методика экстраполяции теплового потока, измеренного в высокоэнтальпийной струе плазмотрона, на соответствующие условия обтекания затупленных тел при входе в атмосферы Земли и Марса с большой скоростью. Проанализированы возможности индукционных ВЧ-плазмотронов ВГУ-4 и ВГУ-3, имеющих статус Уникальных научных установок РФ, для моделирования аэродинамического нагрева затупленных тел в окрестности точки торможения диссоциированного потока воздуха. Разработаны теоретические основы и технический подход для прямого моделирования на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 тепловых потоков в окрестности точки торможения на поверхности затупленного тела для условий входа в атмосферу Земли.

   • 
     Обтекание модели с датчиком
     теплового потока струей
     диссоциированного воздуха
     на плазмотроне ВГУ-3
   • 
     обтекание трубки Пито
     струей диссоциированного CO₂
     на плазмотроне ВГУ-4
   1. Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Корреляция условий теплообмена модели в недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа и при гиперзвуковом обтекании сферы в марсианской атмосфере // Изв. РАН. МЖГ. 2015. № 4. С. 131-138. mzg.ipmnet.ru/ru/Issues/2015/4/131
      = Kolesnikov A.F., Sakharov V.I. Correlation of the conditions of model heat transfer in underexpanded dissociated carbon dioxide jets and in hypersonic flow past a sphere in the Martian atmosphere // Fluid Dyn. 2015. Vol. 50. No. 4. P. 578-584. DOI: 10.1134/S0015462815040122
   2. Васильевский С.А., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Локальное моделирование аэродинамического нагрева поверхности затупленного тела в дозвуковых высокоэнтальпийных потоках воздуха: теория и эксперимент на ВЧ-плазмотроне // Изв. РАН. МЖГ. 2017. № 1. С. 160-167. mzg.ipmnet.ru/ru/Issues/2017/1/160 DOI: 10.7868/S0568528117010169
      = Vasil'evskii S.A., Gordeev A.N., Kolesnikov A.F. Local modeling of the aerodynamic heating of the blunt body surface in subsonic high-enthalpy air flow. Theory and experiment on a high-frequency plasmatron // Fluid Dyn. 2017. Vol. 52. No. 1. P. 158-164. DOI: 10.1134/S001546281701015X
   3. Колесников А.Ф., Щелоков С.Л. Анализ условий моделирования аэродинамического нагрева в дозвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 2. С. 91-96. mzg.ipmnet.ru/ru/Issues/2021/2/91 DOI: 10.31857/s0568528121020067
      = Kolesnikov A.F., Shchelokov S.L. Analysis of the Simulation Conditions of the Aerodynamic Heating in Subsonic High-Enthalpy Air Jets from the VGU-4 HF Plasmatron // Fluid Dyn. 2021. Vol. 56. No. 2. P. 236-241. DOI: 10.1134/S0015462821020063
   4. 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. 117-124. mzg.ipmnet.ru/ru/Issues/2022/6/117 DOI: 10.31857/S0568528122600503
      = Kolesnikov A.F., Vasil'evskii S.A., Shchelokov S.L., Chaplygin A.V., Galkin S.S. Analysis of the Possibilities of Local Simulation of Aerodynamic Heating in a Powerful VGU-3 HF-Plasmatron // Fluid Dyn. 2022. Vol. 57. No. 6. P. 811-819. DOI: 10.1134/S0015462822601309
6. Численные исследования течений плазмы воздуха в разрядном канале плазмотрона ВГУ-3 мегаваттного класса с использованием двумерных уравнений Максвелла для вихревого электромагнитного поля (совместно с Лабораторией термогазодинамики и горения)

   Разработан численный метод и программа расчета электромагнитного поля совместно с уравнениями Навье–Стокса в разрядном канале ВЧ-плазмотрона на основе двумерной модели (2D) уравнений Максвелла с постановкой граничных условий на значительном удалении от канала. Показано что упрощенная 1D модель имеет приемлемую точность для плазмотрона ВГУ-4 с каналом диаметром 80 мм, но дает погрешности порядка 20–30% для мегаваттной установки ВГУ-3 с каналом диаметром 200 мм. Выполнено многопараметрическое численное моделирование завихренных течений равновесной плазмы воздуха в разрядном канале ВГУ-3 в широком диапазоне рабочих параметров установки – давления, мощности, расхода воздуха. Численными расчетами течений в разрядных каналах ВЧ-плазмотронов разных диаметров и при различных частотах электромагнитного поля подтверждены законы подобия ВЧ-разрядов в газовых потоках.

   1. Vasilevskii S.A., Kolesnikov A.F., Bryzgalov A.I., Yakush S.E. Computation of inductively coupled air plasma flow in the torches // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1009. Paper 012027. DOI: 10.1088/1742-6596/1009/1/012027
   2. Vasilevskii S.A., Kolesnikov A.F., Bryzgalov A.I., Yakush S.E. Numerical testing of the similarity conditions for the induction plasmatrons // Journal of Physics: Conf. Series. 2019. Vol. 1250. Paper 012043. DOI: 10.1088/1742-6596/1250/1/012043
   3. Vasil'evskii S.A., Kolesnikov A.F., Bryzgalov A.I., Yakush S.E. Numerical simulation of equilibrium air plasma flow in the induction chamber of a high-power plasmatron // Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2023. Vol. 35. No. 4. P. 1689-1701. DOI: 10.1007/s00161-023-01192-1
7. Расчет коронного разряда от системы заземленных проводов, находящихся в поле грозового облака

   Рассчитаны характеристики нестационарной положительной короны, развивающейся от системы горизонтальных плоскопараллельных заземленных проводов (молниезащитных тросов) во внешнем медленно нарастающем электрическом поле грозового облака. Расчет проводится на основе 2D компьютерной модели. Найдено пороговое внешнее грозовое поле для возбуждения короны, рассчитаны коронный ток, распределение объемного заряда, генерируемого короной, и электрического поля в окружающем провода пространстве. Результаты представляют интерес для оценок влияния коронного разряда на эффективность многотросовой молниезащиты.

   1. Мокров М.С., Райзер Ю.П. Моделирование положительного коронного разряда от плоскопараллельной системы горизонтальных заземленных проводов в электрическом поле грозового облака // Физика плазмы. 2021. Т. 47. № 6. С. 541-561. DOI: 10.31857/S0367292121060123
      = Mokrov M.S., Raizer Yu.P. Simulation of a Positive Corona Discharge from a Plane-Parallel System of Horizontal Grounded Wires in the Electric Field of a Thundercloud // Plasma Phys. Rep. 2021. Vol. 47. No. 6. P. 568-587. DOI: 10.1134/S1063780X2106012X
8. Трехмерное моделирование формирования гексагональной структуры тока в газоразрядном промежутке с полупроводниковым катодом

   Численно исследовано формирование гексагональной структуры тока в тонком плоском газоразрядном промежутке с полупроводниковым катодом, возбуждаемом постоянным током, на основе трехмерной модели диффузионно-дрейфового разряда. Модель включает уравнения непрерывности для плотностей электронов и ионов, электростатическое уравнение для электрического поля и уравнение теплопроводности для температуры газа. Исследован генезис упорядоченной картины тока и ее последующая перестройка в гексагональную картину, начиная с исходного однородного состояния разряда без начальных возмущений. Для случая разряда постоянного тока с полупроводниковым катодом и криогенных условий трехмерный расчет выполнен впервые. Полученная картина тока согласуется с экспериментом.

   • 
     Схема разрядного прибора
     с полупроводниковым катодом,
     3D расчетный объем
     и система координат
   • 
     Результаты расчета:
     распределение x-компоненты
     плотности тока j_x(d,y,z) (a)
     и температуры газа на аноде T(0,y,z) (b)
   1. Mokrov M.S., Raizer Yu.P. 3D simulation of hexagonal current pattern formation in a dc-driven gas discharge gap with a semiconductor cathode // Plasma Sources Sci. Technol. 2018. Vol. 27. No. 6. Article 065008. DOI: 10.1088/1361-6595/aac9fc

Из истории лаборатории

Лаборатория взаимодействия плазмы и излучения с материалами образована в старом здании на Ленинградском проспекте сначала как группа под руководством М.И. Якушина в составе Института механики АН СССР, после 1965 г. – в составе ИПМ АН СССР, с 1972 г. группа стала лабораторией. История лаборатории неразрывно связана с развитием экспериментальной базы для решения проблем аэродинамического нагрева летательных аппаратов при спуске в атмосфере Земли и планет. Первый ВЧ индукционный плазмотрон ВГУ-1 мощностью 60 кВт создан в 1963 г., следующий ВГУ-2 (1977 г.) имел мощность 90 кВт. М.И. Якушин, возглавлявший лабораторию с момента ее образования до 2001 г., заложил два основных принципа лаборатории. Первый: иметь две установки, одну для проведения научно-исследовательских работ и испытаний небольших образцов материалов, и вторую, гораздо более мощную – для проведения исследований и испытаний крупногабаритных образцов и фрагментов тепловой защиты. Этот принцип реализован в ВЧ индукционных плазмотронах, работающих в настоящее время в ИПМех РАН: ВГУ-4 (с 1989 г., 100 кВт) и ВГУ-3 (с 1983 г., 1000 кВт). Второй принцип: совместная работа экспериментаторов и теоретиков для того, чтобы не только испытывать материалы, но и корректно переносить экспериментальные результаты на натурные условия полета в атмосфере.

В лаборатории изучались и испытывались практически все теплозащитные материалы, разработанные в НПО «Энергия» и «Молния». Лаборатория участвовала в Государственной программе «Буран», впервые исследованы каталитические свойства теплозащитных материалов многоразового применения по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов, проведены многоцикловые (до 100) испытания теплозащитных плиток корабля «Буран» на термохимическую стойкость в условиях, моделирующих натурный нагрев и окисление покрытия. За работы по программе «Буран» в 1988 г. присуждены Государственные премии СССР Якушину М.И. и Колесникову А.Ф. Рулев Ю.К. награжден медалью «За трудовую доблесть».

В период с 1995 по 2012 год лаборатория участвовала в международных проектах, одним из основных направлений которых было моделирование аэродинамического нагрева в индукционных плазмотронах для условий входа космических аппаратов в атмосферу Марса.

В лаборатории работали выдающиеся ученые профессор Ю.П. Райзер (лауреат Ленинской премии СССР 1966 г., Государственной премии РФ 1999 г., Международной премии Пеннинга 1993 г., награжден орденом Знак Почета в 1975 г.) и член-корр. В.В. Рагульский (лауреат Государственной премии СССР 1983 г. «За цикл работ по самообращению волнового фронта света при вынужденном рассеянии на гиперзвуке»).

Установки ВГУ-3 и ВГУ-4 включены в Реестр Уникальных научных установок (www.ckp-rf.ru//usu/441568).

• 
  Михаил Иванович Якушин
  (1932–2001)
  профессор, к.т.н.
  основатель и первый зав.лаб. 1972–2001 гг.
• 
  Анатолий Фёдорович Колесников
  д.ф.-м.н.
  зав. лаб. с 2001 г.
• 
  Юрий Петрович Райзер
  (1927–2021)
  профессор, д.ф.-м.н.
  зав. отделом (1965–1999),
  сотрудник лаборатории (2004–2021)
• 
  Валерий Валерианович Рагульский
  (1943–2022)
  член-корр. РАН
  сотрудник лаборатории (2004–2022)
• 
  1984 год, на фоне плазмотрона ВГУ-3
  слева направо: Рулев Ю.К., Колесников А.Ф.,
  Быкова Н.Г., Баронец П.Н., Мысова В.М.,
  Труханов А.С., Першин И.С.
• 
  1989 год, подготовка к монтажу
  барокамеры для плазмотрона ВГУ-4
• 
  1989 год, фотография на фоне плазмотрона ВГУ-2,
  сделана после полета корабля "Буран"
  для доски почета ИПМ АН СССР.
  Верхний ряд: Гордеев А.Н., Першин И.С., Малов С.
  Средний ряд: Колесников А.Ф., Мысова В.М.,
  Егорин А.А., Георг Э.Б., Васильевский С.А.,
  Мамыркина Н.Ф., Труханов А.С., Баронец П.Н.
  Нижний ряд: Рулев Ю.К., Якушин М.И., Быкова Н.Г.
• 
  1997 год, фото на фоне плазмотрона ВГУ-4.
  Стоят: Баронец П.Н., Першин И.С., Быкова Н.Г.,
  Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Рулев Ю.К., Васильевский С.А.
  Сидит: Якушин М.И.
• 
  2010 год, Колесников А.Ф. и Гордеев А.Н.

Информация на февраль 2025 г.