Комплекс стендов с индукционными подогревателями газа

УДК 533.9, 629.78

Б. Е. Жестков

КОМПЛЕКС СТЕНДОВ С ИНДУКЦИОННЫМИ ПОДОГРЕВАТЕЛЯМИ ГАЗА

Ключевые слова: высокочастотный индукционный разряд, подогреватели газа, гиперзвуковые аэродинамические трубы, моделирование условий полета, взаимодействие потока с поверхностью.

Рассмотрены сведения о 4 аэродинамических трубах ЦАГИ, оснащенных высокочастотными индукционными подогревателями газа, для моделирования условий полета на высотах 70-500 км. Приведены некоторые результаты исследований взаимодействия высокоскоростного плазменного потока (1-7 км/с) с поверхностью твердого тела. Основным механизмом разрушения материала на исследованных режимах является газовая коррозия в результате химических реакций атомов кислорода и азота, возбужденных частиц и ионов с материалом, причем решающую роль играет окисление компонентов материала атомами кислорода. Приведены некоторые результаты по определению каталитической активности материалов.

Keywords: high frequency induction discharge, gas heaters, hypersonic wind-tunnel, flight modeling, flow-surface

interaction.

Information on 4 TsAGI's wind-tunnels equipped with the high frequency gas heaters for flight simulation at altitudes 70-500 km is considered. Some results of the high velocity plasma flow (1-7 km/s) interaction with the solid body surface are presented. The main mechanism of material distraction at investigated regimes is gases corrosion in the result of the chemical reactions of oxygen and nitrogen atoms, exited particles and ions with the material, oxidation of the material components by the oxygen atoms being of the main importance. Some results on the materials catalyticity investigation are given.

В основополагающих работах Г.И. Бабата [1] была показана возможность нагревания газа бесконтактным образом при помощи высокочастотного индукционного разряда. Данная работа проводилась с целью исследования высокочастотного разряда пониженного давления в азоте и воздухе, создания высокочастотных индукционных подогревателей газа, комплекса аэродинамических установок, оснащенных разработанными индукционными

подогревателями, и исследования взаимодействия высокоскоростного плазменного потока (17 км/с) с поверхностью твердого тела. Были созданы 4 уникальных гиперзвуковых аэродинамических трубы для моделирования условий полета в верхних слоях атмосферы и дозвуковой стенд для изучения каталитической активности материалов. Использование высокочастотного индукционного разряда позволило избежать каких-либо загрязнений газа, получить высокие значения энтальпии потока плазмы (до 40 МДж/кг), хорошую стабильность и воспроизводимость режимов по давлению торможения и энтальпии потока (в пределах 1%), а также непрерывное время цикла испытаний до 1 часа и большой общий ресурс (104 часов). Другими средствами получить указанные параметры не представляется возможным. Полученные уникальные параметры установок чрезвычайно важны для целого ряда приложений, в частности, для аэротермодинамики, при испытании материалов и т.д. В СССР это направление интенсивно развивалось. Кроме ЦАГИ индукционные подогреватели используются для нагревания газа в аэродинамических установках и при испытании материалов в ряде организаций (ИПМ РАН, ЦНИИМаш) [2-5]. Отметим, что

аэродинамические установки и стенды для испытания материалов с высокочастотными индукционными подогревателями до последних лет были только в России.

В ЦАГИ в 1961 - 84 гг. были созданы высокочастотный стенд ВАТ-100 и аэродинамические трубы ВАТ-103, ВАТ-104 и ВТС, оснащенные индукционными подогревателями газа. Ленинградские предприятия ВНИИТВЧ и ЛОЭЗ разработали и поставили в 1961-63 гг. 2 первых специальных генератора (ламповый ионизатор газа) мощностью по анодной цепи 25 кВт: ЛИГ-1-25 (с частотой 40.68 МГц) и ЛИГ-3-25 (с частотой 13.56 МГц). Затем в 1981-1983 гг. этими предприятиями были поставлены высокочастотные

установки ВЧИ4-160/1.76, ВЧС2-600/0.44 и медные разрезные разрядные камеры для подогревателей труб ВАТ-104 и ВТС.

Первым в 1961-63 г. г. был создан высокочастотный стенд ВАТ-100 для исследования высокочастотной ионизации и нагрева газа с использованием генератора ЛИГ-1-25. Разрядная камера стенда представляла собой 2 коаксиальные кварцевые трубы, между которыми протекала охлаждающая вода. Использовалась прямоточная подача газа. Разрядная камера выходила в вакуумную емкость, позднее на выходе подогревателя было установлено сверхзвуковое сопло. Зажигание разряда осуществлялось при низком давлении порядка 100 Па на воздухе. На основании исследования высокочастотного индукционного разряда пониженного давления в азоте и воздухе [6] был создан подогреватель [7] с кварцевой сварной водоохлаждаемой разрядной камерой для аэродинамической трубы ВАТ-103, который питается от генератора ЛИГ-3-25. Вакуумная аэродинамическая труба ВАТ-103 [8]

интенсивно эксплуатируется уже более 40 лет. Эта труба представляет собой мощный молекулярный пучок с интенсивностью потока частиц до 2 10 17 частиц/см2с и служила для определения аэродинамических и тепловых характеристик космических аппаратов, отработки бортовых измерителей параметров полета. На АДТ проводятся работы по изучению взаимодействия потока плазмы с поверхностью твердого тела [9], исследования по определению коэффициентов передачи энергии и импульса, индикатрис рассеяния частиц с большими скоростями (1-7 км/с) [10]. Используются Н, Н-Е, Е разряд, давление в разрядной камере составляет до 4*104 Па, температура газа составляет до 5000 К [7]. Для измерения функции распределения атомов и молекул потока по скоростям использовался селектор [11] и времяпролетный метод в режиме счета частиц [12]. Степень диссоциации определялась с помощью датчиков, имеющих предельно высокую и низкую каталитическую активность, а ионизированная и возбужденная составляющие исследовались многоэлектродными зондами и датчиками на базе открытых электронных умножителей [13]. Отметим, что высокочастотный стенд после проведения исследований ионизации и нагрева газа используется в составе вакуумной аэродинамической трубы ВАТ-105 как проточный реактор для исследования гетерогенной рекомбинации атомов кислорода и азота [14, 15].

Для исследования неравновесного теплообмена и каталитических свойств материалов по программе создания ОК «Буран» в ЦАГИ в 1981-84 гг. были созданы гиперзвуковые аэродинамические трубы ВАТ-104 и ВТС [4], оснащенные подогревателями с медными разрезными разрядными камерами и, соответственно, генераторами ВЧИ4-160/1.76 и ВЧС2-600/0.44. Для увеличения вкладываемой в газ мощности здесь были использованы более низкие частоты по сравнению с частотами генераторов ЛИГ-1-25 и ЛИГ-3-25. Инициирование индукционного разряда осуществляется при напряжении на генераторе 5 кВ и низком давлении в разрядной камере (порядка 100 Па) на аргоне или азоте. Скорость потока на выходе сопла составляет 4 - 4,5 км/с, числа Маха М = 5-8 температура газа в разрядной камере 5000-11000 К, тепловой поток в критической точке обтекаемого сферического затупления радиусом 1см составляет до 2 кВт/см2. ВАТ-104 и ВТС позволяют моделировать

взаимодействие высокоскоростного плазменного потока с поверхностью гиперзвукового летательного аппарата [16-18]. При входе космического летательного аппарата (КЛА) в плотные слои атмосферы его поверхность подвергается одновременному воздействию

агрессивного плазменного потока воздуха, предельных тепловых и больших механических

нагрузок. В головной ударной волне происходит практически полная диссоциация молекул воздуха, возбуждение электронных уровней частиц и ионизация. В результате аппарат обтекается химически очень активной смесью атомов кислорода и азота, возбужденных частиц и ионов. На поверхности аппарата интенсивно протекают высокотемпературные химические реакции. Тепловой поток к изделию, а также температура поверхности достигают экстремальных значений, что может привести к катастрофическому разрушению

теплозащиты. Основным механизмом разрушения материала на исследованных режимах является газовая коррозия в результате химических реакций атомов кислорода и азота,

возбужденных частиц и ионов с материалом, причем решающую роль играет окисление компонентов материала атомами кислорода, которое в ряде случаев может переходить в горение материала. Опасности перегрева аппарата и разрушения теплозащиты могут быть существенно снижены, если не допустить обратной рекомбинации атомов в молекулы на поверхности теплозащиты, используя покрытия с низкой каталитической активностью. На материале с очень низкой каталитической активностью практически не происходит рекомбинации атомов в молекулы, что позволяет до 3-4 раз снизить тепловой поток к аппарату по сравнению со случаем высокой каталитической активности поверхности. Ниже приведены некоторые результаты исследований взаимодействия высокоскоростного потока с поверхностью и определения каталитических свойств материалов [16-18]. Была изучена работоспособность целого ряда отечественных и зарубежных теплозащитных материалов и эрозионностойких покрытий. На аэродинамических трубах ВАТ-104 и ВТС с 1992 по 2001 гг. было выполнено 10 контрактов с Европейским космическим агентством, фирмами Германии и Франции. Отметим, что ВАТ-103 и ВАТ-104 с 1999 г. постоянно проходят сертификацию в составе испытательного центра ЦАГИ «Аэротермодинамика. (Текущий Аттестат

аккредитации в Реестре Авиарегистра МАК № ИЛ - 069 от 02.11.2009 действует до 2 ноября 2012 г.).

Исследования термохимической устойчивости образцов материалов теплозащиты на ВАТ-104 и ВТС проводятся в условиях, моделирующих натурные, в диапазоне температур поверхности Tw =1000...2600 K и давлений перед образцом 0,001...0,04 бар. Эти АДТ имеют теплообменники и мощные вакуумные станции. Они являются единственными гиперзвуковыми АДТ с индукционными подогревателями газа. Из соображений экономии средств основная часть испытаний проводится на АДТ ВАТ-104. АДТ оснащена компьютерной системой сбора-обработки данных эксперимента и компьютерной системой управления режимом работы. Наличие компьютерной системы управления позволяет проводить серии идентичных испытаний. Основные параметры АДТ определены с помощью оптических и контактных методов диагностики [17 - 20]. Газовая температура в подогревателе регулируется в диапазоне То = 5000-9000 К, скорость потока составляет 4 - 4.4 км/с. При давлении торможения Ро = 0.1-0.4 бар максимальная энтальпия потока находится в пределах io = 25-40 МДж/кг. Степень диссоциации воздушного потока составляет а = 0.5-0.9, степень ионизации равна 0.1%. Температура образцов при испытаниях регулируется в пределах 6002400 К. В большинстве испытаний на АДТ ВАТ-104 и ВТС использовались конические и щелевое сопла, рассчитанные на число Маха M = 4. Исследования проводятся в недорасширенной плазменной струе диаметром 0.1 м при числах Маха М = 4-8. Расстояние от среза сопла до ударной волны, замыкающей струю (диска Маха), составляет 0.25-0.5 м.

На рисунке 1 представлена схема высокочастотного индукционного подогревателя газа АДТ ВАТ-104 с медной разрезной водоохлаждаемой разрядной камерой, внутренний диаметр которой составляет 92 мм. В разработке минимизировано расстояние от индуктора до входа в сопло, обеспечено подведение воды для охлаждения всех узлов и герметичность конструкции. Подобное устройство имеет и подогреватель АДТ ВТС. Герметичный экран позволяет защитить персонал и аппаратуру от воздействия высокочастотного поля. ВАТ-104 успешно эксплуатируется без разборки подогревателя уже 27 лет, испытано более 1000 моделей, образцов материалов и элементов теплозащиты.

Методика испытаний приведена в работах [13, 15, 17 - 19]. В испытаниях на нескольких длинах волн (0,65, 0,8. 1, 5.1 мкм) измеряется распределение яркостной температуры по поверхности образца с помощью тепловизора AGA 780 или числовых ССБ камер с узкополосными оптическими фильтрами. Регистрация излучения моделей производится с помощью металлического зеркала. Угол между нормалью к поверхности зеркала и направлением наблюдения составляет 36°. CCD камера управляется специальным компьютером IBM PC Pentium 300, который используется для сбора большого объема видео информации в течение испытания. Кроме того температура образца регистрировалась с помощью термопар. Если, при постоянной

величине теплового потока, температура образца начинает изменяться, это говорит о начальной стадии разрушения поверхности образца. Как правило, в процессе испытаний каталитическая активность увеличивалась, а излучательная способность уменьшалась, что сопровождалось ростом температуры образца. Излучательная способность определялась по результатам измерений яркостной температуры образца с помощью пирометров на базе CCD камер и термопарных измерений температуры образца [17 - 19]. Каталитическая активность находилась из сопоставления результатов численных параметрических исследований обтекания - теплообмена и измерений температуры образца [18 - 21].

На рис. 2 показаны зависимости уноса массы образцов перспективной керамики от времени испытаний в гиперзвуковом потоке диссоциированного воздуха на АДТ ВТС. Один образец испытывался при температуре 2300 К в течение 5 часов, причем периодически испытания прерывались для взвешивания образца. Второй образец испытывался при температуре 2500 К в течение 100 минут. Высокая эрозионная устойчивость керамики объясняется в первую очередь высокой термохимической устойчивостью окислов тугоплавких металлов, из которых она была изготовлена.

• • Tw = 2300 К

Tw = 2500 К

0 60 120 180 240 f, мин

Рис. 2 - Потери массы образцов высокотемпературной керамики

В настоящее время основными конструкционными и теплозащитными материалами в аэрокосмической технике являются углерод-углеродные композиционные материалы

66

и жаростойкие керамики. Для повышения термохимической устойчивости образцов УУКМ служат эрозионностойкие покрытия. Использование отработанных в АДТ ВАТ-104 эрозионностойких покрытий позволяет существенно повысить возможности теплозащитных материалов. В качестве примера на рис. 3 представлен режим испытания АДТ ВАТ-104 образца «Гравимол» с покрытием МАИ Д5 [18] на термохимическую устойчивость. Центр образца при испытании устанавливался на оси потока. Верхняя кривая на рис. 3 представляет значения мощности высокочастотного генератора по анодной цепи, выраженные в 0,1 кВт, средняя кривая - температура передней поверхности образца, обтекаемой потоком плазмы, нижняя кривая - температура задней поверхности образца. Из рис. 3 видно, что исследуемый образец выдержал испытания в потоке при температуре, превышающей 1800 °С, в течение более 400 сек. Увеличение температуры образца в конце пуска при стационарном режиме испытания свидетельствует о том, что защитная пленка ЭЮ2 [18] израсходована и идут эндотермические химические реакции окисления покрытия и образца. Контрольные образцы, не защищенные покрытием, разрушаются при температуре, не превышающей 1700 °С.

Рип_260

Ъсек

Рис. 3 - Испытание образца УУКМ с покрытием МАИ Д5

Данные по исследованию в АДТ ВАТ-104 и ВТС термохимической деструкции образцов некоторых теплозащитных материалов приведены в таблице 1. Указаны температура образца, давление газа перед образцом, величина уноса и продолжительность испытания.

Отметим, что высокую термохимическую устойчивость С-С пластин с улучшенным покрытием (2 и 3 строки таблицы) удалось получить после отработки покрытия в АДТ ВТС в условиях, моделирующих натурные.

На АДТ ВАТ-104 был проведен ряд исследований каталитических свойств материалов [17 - 21]. В частности, каталитическая активность одного из углерод-углеродных материалов (УУКМ) была определена с помощью теплоизолированной модели, показанной на рис.4. Потери на теплоотвод, согласно численного моделирования теплообмена, составляют 1 - 5% от теплового потока, поступающего к торцу модели. Модель целиком вырезана из штатной плитки ОК «Буран» с черным покрытием, константа скорости гетерогенной рекомбинации для которого согласно ранее проведенных исследований [14] составляет Ки =1м/с. Это черное штатное покрытие плитки использовано в качестве эталона сравнения. В углублении на модели заподлицо с поверхностью покрытия установлен исследуемый образец УУКМ в виде полудиска. Центр модели совмещался с осью струи. В эксперименте регистрировались с помощью пирометров и термопар установившиеся распределения температуры по диаметру

67

модели на ряде режимов. Во всех испытаниях было обнаружено, что температура полудиска УУКМ выше температуры симметрично расположенного полудиска с покрытием плитки. Разность температур указанных частей модели, с учетом излучательной способности, определяется отличием их каталитической активности. Используя полученную разность температур 25±7°С, получаем с использованием численного моделирования течения плазмы и теплообмена [17, 21] для исследуемого УУКМ значение ^ =2.7±0.5 м/с при температуре 650 -1300°С.

Таблица 1 - Газовая коррозия материалов теплозащиты в гиперзвуковом

высокоэнтальпийном потоке воздушной плазмы

Образец Tw, к Pw, ГПа 2 Унос, г/м час t, мин

12 C-C пластин с покрытием 1970 15 140±120 30

6 пластин с улучшенным 1930 15 36±30 160

покрытием

То же, 2 пластины 2520 30 195±125 40

FEI ткань с покрытием, 10 образцов. 1070 3 10 ± 10 50

FEI ткань с покрытием, 4 образца. 1420 6 230±120 15

12 C-SiC дисков с покрытием 1470 15 12±6 250

2 C-SiC диска с покрытием 1530 10 15±6 60

2 C-SiC диска с покрытием 1760 25 96 ± 37 60

8 FEI матов 30*15*2 см3 1320 7 40 ± 10 40

образец покрытие плитки

Рис. 4 - Модель для исследования каталитической активности УУКМ

Отметим, что в работе в основном использовались модели, подобные модели, показанной на рис. 4. Исследуемый образец устанавливался в углублении на державке из высококачественных высокотемпературных теплоизоляторов ТЗМК - 10, ТЗМК - 25, ТЗМК -1700, ВТНК, используемых космической технике. Такая конструкция модели позволяет не

только осуществить испытания, но и измерить тепловой поток образцу путем измерения радиационно - равновесной температуры и излучательной способности материала.

Литература

1. Бабат, Г.И. Безэлектродные разряды и некоторые связанные с этим вопросы // Вестник электропромышленности. -1942. -№ 2. - С. 1-12; - №3. - С. 2-12.

2. Якушин, М.И. Получение высоких температур газа в безэлектродном высокочастотном разряде // ПМТФ. - 1969. - № 3. - С. 143-150.

3. Залогин, Г.Н. Высокочастотный плазматрон-установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков / Г.Н. Залогин и др. // Космонавтика и ракетостроение. -1994. - № 2. - C. 22-32.

4. Жестков, Б.Е. Экспериментальная база НИО-8 для решения задач газодинамики и теплообмена на больших высотах, а также других задач / Б.Е.Жестков, А.В.Липин, А.П. Никифоров // Фундаментальные исследования для гиперзвуковых технологий. Жуковский: Изд. ЦАГИ. - 1998. -Т.2. - С. 563-571.

5. Жестков, Б.Е. Комплекс стендов с индукционными подогревателями. // Материалы международной конференции «Физика высокочастотных разрядов». Казань, 5 - 8 апреля 2011 г. - С. 274 - 277.

6. Жестков, Б.Е. Некоторые характеристики индукционного разряда пониженного давления в азоте / Б.Е.Жестков, А.И.Омелик, З.Т. Орлова // ТВТ. - 1970. - Т. 8. - № 4. - С. 707-711.

7. Жестков, Б.Е. Исследование высокочастотного подогревателя разреженного газа / Б.Е.Жестков,

A.И. Омелик // ТВТ. - 1974. - Т. 12 - № 6. - C. 1252-1256.

8. Баринов, И.С. Аэродинамическая установка со свободномолекулярным потоком и высокой температурой торможения / И.С.Баринов и др.// ТВТ. - 1973. - Т. 11 - № 3. - C. 602-608.

9. Zhestkov, B.E. Some aspects of nonequilibrium free molecular nitrogen flow—metal surface interaction / B.E. Zhestkov, A.Ya. Knivel // Rarefied Gas Dynamics. New York. Plenum Press. - 1985. - V. 1. - P. 687-694.

10. Ерофеев, А.И. Экспериментальное исследование взаимодействия высокоскоростных пучков молекул с твердыми поверхностями в вакуумном стенде ВАТ-103 / А.И.Ерофеев, А.П. Никифоров // Вакуумная наука и техника. МГИЭМ. - 2009. - С. 7-11.

11. Жестков, Б.Е. Определение функции распределения молекул по скоростям в высокоскоростном молекулярном пучке механическим селектором / Б.Е.Жестков, А.П.Никифоров, Э.П. Павлов // ТВТ. -1982. - Т. 20, № 1. - С. 119-124.

12. Жестков, Б.Е. Измерение функции распределения по скоростям в высокотемпературном потоке времяпролетным методом в режиме счета отдельных частиц / Б.Е.Жестков, Н.Н.Грачев // ЖТФ. -1984. - Т. 54, № 4. - С. 716-722.

13. Жестков, Б.Е. О моделировании натурных условий полета в ионосфере / Б.Е.Жестков, А.Я. Книвель // ПМТФ. - 1977. - № 6. - С. 31-36.

14. Жестков, Б.Е. Экспериментальное исследование гетерогенной рекомбинации. / Б.Е.Жестков, А.Я. Книвель // Труды ЦАГИ. - 1981. - Вып.2111. - С.215-227.

15. Жестков, Б.Е. Гетерогенная рекомбинация атомов азота и кислорода на кварце и металлах. // Взаимодействие разреженных газов с поверхностями: Сб. науч. тр. / М.: изд.МАИ.- 1987. - С. 50-54.

16. Gulhan, A. Comparative Oxidation Tests on Reference Material in Two Induction Heated Facilities / A. Gulhan et al. // IAF - 95 - 1.3.03.

17. Zhestkov, B. Eu. Calculated and Experimental Flat and Wavy Surface Temperature Distributions. / B. Eu. Zhestkov et al. // AIAA Paper 99-0733.

18. Жестков, Б.Е. Исследование многофункционального покрытия МАИ Д5, предназначенного для защиты особожаропрочных материалов / Б.Е.Жестков, В.С. Терентьева // Металлы. - 2010. - № 1. - С.39-48.

19. Zhestkov, B. Evaluation of materials oxidation in induction plasmatron under simulated re-entry condition /

B. Zhestkov, V.Shvedchenko // Proceeding of Second European Workshop on thermal protection systems. Stuttgart/Germany, October 25-27. - 1995. - P. 204-215.

20. Zhestkov, B.Eu. Windtunnel catalyticity evaluation for thermoprotective elements / B.Eu.Zhestkov et al. // ICES Paper 2001-01-2384.

21. Башкин, В.А. Численное исследование поля течения и теплообмена в тракте высокотемпературной аэродинамической установки / В.А. Башкин и др. // ТВТ. - 2008. - Т.46, №5. - С.771-783.

© Б. Е. Жестков - канд. техн. наук, ст. науч. сотр., нач. лаб. ЦАГИ, bzhestkov@mail.ru.