Высокочастотные индукционные плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4

• Перечень оборудования
  • 100-киловаттный высокочастотный индукционный плазмотрон ВГУ-4
  • 1000-киловаттный высокочастотный индукционный плазмотрон ВГУ-3
• Методики измерения
• Выполняемые типовые работы и оказываемые услуги
• Регламент доступа к оборудованию
• Адрес расположения
• Руководитель работ
• Выборочный cписок публикаций, подготовленных с использованием установки

Перечень оборудования

№ п/п	Плазмотрон	Балансовая (восстановительная) стоимость (руб. за шт.)	Балансовая (восстановительная) стоимость (млн. руб.)	Кол-во единиц
1	Плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4	1811952	1,812	1 к-т
2	Вакуумный насос НВЗ-300	495500	0,496	1 шт.
3	Расходомер контроллер MKV-306	35518	0,071	2 шт.
4	Расходомер контроллер MKV-396	45017	0,045	1 шт.
5	АЦП-E-270	28428	0,085	3 шт.
6	Датчик давления АИР-20ДА/М2	17725	0,071	4 шт.
7	Датчик давления АИР-10Д2	6702	0,013	2 шт.
8	Датчик давления АИР-20ДД/М2	23552	0,047	2 шт.
9	Термовизор Тандем VS-415	300000	0,300	1 шт.
10	Пирометр спектрального отношения Mikron M770S	129800	0,130	1 шт.
11	Пирометр полного излучения Кельвин-2100, 2100/5	23541	0,047	2 шт.
12	Пирометр инфракрасный Кельвин c адаптером CL420-0	21055	0,021	1 шт.
13	Спектрометр HR-4000	1138217	1,138	1 к-т
14	Спектрометр SP-558с оптическим детектором на ПЗС-матрице (ОMА-V)	5900197	5,900	1 к-т
			10,176

100-киловаттный высокочастотный индукционный плазмотрон ВГУ-4

• Источник питания плазмотрона – высокочастотный генератор ВЧИ-11-60/1.76.
• Испытательная камера предназначена для поддержания заданного рабочего давления при термохимическом воздействии на поверхность материалов высокоэнтальпийных потоков химически активных газов.
• Индукторная камера, расположенная внутри испытательной камеры, обеспечивает работу индуктора при атмосферном давлении.
• Разрядное устройство, включающее разрядный канал, индуктор, верхний и нижний интерфейсы разрядного канала, формирователь газового потока, а также, если это необходимо – сопловой блок.
• Два устройства позиционирования образцов, моделей и датчиков в плазменной струе обеспечивающие их ввод в струю и вывод из струи, а также их перемещения в струе в осевом и радиальном направлении.
• Водоохлаждаемые экраны для защиты внутренней поверхности стенок барокамеры от нагрева возвратными потоками горячего газа расположены внутри барокамеры, повторяя её форму.
• Система подачи рабочего газа в разрядный канал обеспечивает подачу газа (или газов) в разрядный канал, измерение и стабилизацию расхода.
• Система откачки предназначена для установления и поддержания заданного давления в испытательной камере, охлаждения высокотемпературного газового потока, нагретого в разрядном канале, перед откачкой и выброса откачанных газов в окружающую среду. Эта система включает в себя вакуумный насос НВЗ-300, два вакуумных насоса НВЗ-500 общей производительностью 1300 л/c, водоохлаждаемый вакуумный трубопровод, теплообменник «плазма – вода», вакуумный трубопровод, вакуумные клапаны и задвижки, вытяжной вентилятор. При этом водоохлаждаемый вакуумный трубопровод и теплообменник входят также и в состав системы охлаждения.
• Система охлаждения обеспечивает водяное охлаждение теплонапряжённых элементов систем индукционного плазмотрона, таких как анод генераторного триода, индуктор, индукторная камера, сопловой блок, теплообменник, водоохлаждаемый вакуумный трубопровод и др. Каждый охлаждаемый элемент имеет индивидуальный контур охлаждения, оборудованный ротаметром для измерения расхода воды и двумя термометрами для измерения температуры охлаждающей воды на входе и выходе.
• Регистрация мощности анодного питания осуществляется с помощью сенсоров, входящих в состав ВЧ-генератора плазмотрона ВГУ-4, и АЦП Е-270, который также используется для регистрации давлений и температур, измеренных пирометрами и термопарами.
• Регистрация давлений осуществляется датчиками «Элемер АИР-20/М2» и датчиками «Элемер АИР-10». Разности давлений измеряются датчиком «Элемер 20ДД/М2».
• Расход рабочих газов задаётся расходомерами-контроллерами «MKS-1559» и «Bronkhorst MKV-306».
• Регистрация зависимости температуры от времени в критической точке образцов и высокотемпературных моделей осуществляется с помощью пирометра «MIKRON M-770S», обеспечивающего измерение как яркостной, так и цветовой температуры в диапазоне 1000 – 3000°С.
• Для регистрации изменяющегося во времени поля температуры на поверхности исследуемого образца, модели или фрагмента конструкции в диапазоне 700 – 2300°С используется термовизор «Тандем VS-415U».
• Радиационная температура поверхности в диапазоне 1100 – 2300°С измеряется пирометром полного излучения «Кельвин-2300».
• Для измерения низких температур в диапазоне 20 – 1200°С используется инфракрасный пирометр «Кельвин-1200/175Д».
• Для исследования спектров пограничного слоя и потоков плазмы применяются спектрометр «Acton Research SP-558» с приёмником «Princeton Instruments OMA-V» (scientific grade CCD 16-bit 1340×1300), а также три спектрометра «Ocean Optics HR4000» на различные спектральные интервалы.

1000-киловаттный высокочастотный индукционный плазмотрон ВГУ-3

• Источник питания плазмотрона – высокочастотный генератор ВЧС1-630/0.44.
• Остальные системы установки те же, что и у плазмотрона ВГУ-4.

Система откачки у двух плазмотронов общая. Набор идентичных датчиков давления и система регистрации данных у каждого плазмотрона свой, а комплект средств измерения температур имеется только один и перемещается с установки на установку по мере необходимости.

Методики измерения

1. Методика измерений тепловых потоков к поверхности водоохлаждаемых моделей в точке торможения с помощью калориметров, изготовленных из различных металлов и кварца.
2. Методика измерений давлений торможения и скоростных напоров с помощью водоохлаждаемых трубок Пито.
3. Методика определения энтальпии дозвуковых высокотемпературных потоков химически активных газов.
4. Методика измерения поля температуры на поверхности исследуемого образца, модели или фрагмента конструкции в диапазоне 700 – 2300°С с помощью термовизора «Тандем VS-415U».
5. Методика измерений радиационной температуры поверхности в диапазоне 1100 – 2300°С с помощью пирометра полного излучения «Кельвин-2300».
6. Методика измерений низких температур поверхности образцов материалов в диапазоне 20 – 1200°С с помощью инфракрасного пирометра «Кельвин-1200/175Д».
7. Методика исследований спектров пограничного слоя и потоков плазмы с помощью спектрометра «Acton Research SP-558» с приёмником «Princeton Instruments OMA-V» (scientific grade CCD 16-bit 1340×1300), а также трех спектрометров «Ocean Optics HR4000» на различные спектральные интервалы.
8. Экспериментально-расчетная методика определения эффективных коэффициентов гетерогенной рекомбинации атомов N, O и молекул CO на поверхности образцов материалов при высоких температурах в дозвуковых высокоэнтальпийных потоках молекулярных газов (воздух, азот, углекислый газ).
9. Методика определения степени черноты поверхности материалов при высоких температурах.
10. Методики экспериментальных исследований образцов материалов и элементов тепловой защиты на термохимическую стойкость и ресурсную работоспособность при условиях, локально моделирующих аэродинамический нагрев при входе затупленных тел в атмосферу Земли и Марса.

Типовые работы и оказываемые услуги

1. Локальное моделирование аэродинамического нагрева поверхности тепловой защиты для условий входа затупленных тел в атмосферу Земли и Марса.
2. Испытания образцов материалов и фрагментов тепловой защиты в до- и сверхзвуковых высокоэнтальпийных потоках молекулярных газов (воздух, азот, углекислый газ) на термохимическую стойкость и ресурсную работоспособность.
3. Определение эффективных коэффициентов гетерогенной рекомбинации атомов N, O и молекул CO на поверхности образцов теплозащитных материалов при высоких температурах в дозвуковых высокоэнтальпийных потоках молекулярных газов (воздух, азот, углекислый газ).
4. Определение степени черноты поверхности теплозащитных материалов при высоких натурных температурах.
5. Стоимость типовых работ и услуг от 50000 рублей за один цикл испытаний на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 и от 100000 рублей за один цикл испытаний на ВЧ-плазмотроне ВГУ-3.

Регламент доступа к оборудованию

Доступ к ВЧ-плазмотронам ВГУ-3 и ВГУ-4 для проведения научных исследований, осуществления экспериментальных разработок и испытаний образцов теплозащитных материалов и фрагментов тепловой защиты на термохимичекую стойкость и ресурсную работоспособность в интересах третьих лиц имеют только аттестованные сотрудники лаборатории взаимодействия плазмы и излучения с материалами.

Адрес расположения

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН)
Лаборатория взаимодействия плазмы и излучения с материалами
119526, г. Москва, проспект Вернадского, д. 101, корп. 1

Руководитель работ

Зав. лабораторией взаимодействия плазмы и излучения с материалами,
д.ф.-м.н. Колесников Анатолий Федорович

Выборочный список публикаций, подготовленных с использованием установки

1. 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.
   DOI: 10.7868/S0040364418030146
   [MathNet]
   = Kolesnikov A.F., Gordeev A.N., and Vasil'evskii S.A. Heat Transfer in Subsonic Flows of Dissociated Nitrogen: HF Plasmatron Experiment and Numerical Simulation // High. Temp. (2018) Vol. 56. Iss. 3. P. 398-403.
   DOI: 10.1134/S0018151X18030124
2. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование теплообмена в недорасширенных струях диссоциированного азота // Изв. РАН. МЖГ. 2017. № 6. С. 79-88.
   DOI: 10.7868/S0568528117060093
   [МЖГ]
   = Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., and Sakharov V.I. HF-plasmatron experiment and numerical simulation of heat transfer in underexpanded dissociated-nitrogen jets // Fluid. Dyn. (2017) Vol. 52. Iss. 6. P. 786-796.
   DOI: 10.1134/S0015462817060076
3. 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.
   DOI: 10.7868/S0568528117010169
   [МЖГ]
   =Vasil'evskii S.A., Gordeev A.N., and 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. Iss. 1. P. 158-164.
   DOI: 10.1134/S001546281701015X
4. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А., Сахаров В.И. Теплообмен в неравновесных струях диссоциированного азота: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т. 17. Вып. 2.
   [chemphys]
5. Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Подобие теплообмена модели в недорасширенных струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при обтекании сферы высокоскоростным потоком в земной атмосфере // Изв. РАН. МЖГ. 2016. № 3. С. 110-116.
   DOI: 10.7868/S0568528116030099
   [МЖГ]
   = Kolesnikov A.F. and Sakharov V.I. Similarity between the heat transfer to a model in an underexpanded dissociated-air jet of a high-frequency plasmatron and to a sphere in a high-velocity flow in the terrestrial atmosphere // Fluid. Dyn. (2016) Vol. 51. Iss. 3. P. 400-405.
   DOI: 10.1134/S0015462816030121
6. Симоненко Е.П., Гордеев А.Н., Симоненко Н.П., Васильевский С.А., Колесников А.Ф., Папынов Е.К., Шичалин О.О., Авраменко В.А., Севастьянов В.Г., Кузнецов Н.Т. Исследование поведения керамических материалов HfB₂-SiC (10, 15 и 20 об. %) в потоках высокоэнтальпийного воздуха // Журнал неорганической химии. 2016. Т. 61. № 10. С. 1259-1275.
   DOI: 10.7868/S0044457X16100172
   [eLibrary]
   = Simonenko E.P., Gordeev A.N., Simonenko N.P. et al. Behavior of HfB₂-SiC (10, 15, and 20 vol %) ceramic materials in high-enthalpy air flows Russ. J. Inorg. Chem. (2016) Vol. 61. Iss. 10. P. 1203-1218.
   DOI: 10.1134/S003602361610017X
7. 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. Вып. 1. С. 32-40.
   DOI: 10.7868/S0040364415050178
   [MathNet]
   = Kolesnikov A.F., Gordeev A.N., and Vasil'evskii S.A. Effects of catalytic recombination on the surface of metals and quartz for the conditions of entry into the Martian atmosphere // High. Temp. (2016) Vol. 54. Iss. 1. P. 29-37.
   DOI: 10.1134/S0018151X1505017X