ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРУКТУРУ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УДАРНОГО СЛОЯ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ОБТЕКАНИИ ТЕЛА ДИССОЦИИРОВАННЫМ ВОЗДУХОМ
Автор: Михаил Юрьевич Погосбекян
Соавторы: А.А. Крупнов
Организация: НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Конвективный тепловой поток к поверхности в точке торможения для различных температур Tw: эта работа, феноменологические модели Deutschmann, Nasuti, Kurotaki, Fertig, идеально каталитические и некаталитические граничные условия.
Гетерогенные процессы играют ключевую роль в определении потоков тепла на поверхность многоразовых космических аппаратов при их входе в атмосферу Земли. Выявление механизмов этих процессов и определение их основных кинетических характеристик имеют решающее значение для эффективного проектирования современных теплозащитных систем. Актуальность исследования свойств теплозащитных покрытий возрастает в связи с разработкой новых материалов для перспективных многоразовых космических аппаратов, нуждающихся в эффективной теплозащите при температуре поверхности около 2000 К.
Разработана замкнутая кинетическая модель взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитного материала SiO2 (β-кристобалит). Для описания гетерогенных процессов использовался кластерный подход, при котором поверхность материала с кристаллической структурой моделировалась кластером, передающим стехиометрию кристалла и валентные состояния лежащих на поверхности атомов. Поверхность потенциальной энергии рассчитывалась методом теории функционала электронной плотности (DFT) с расширенным гибридным функционалом в сочетании с корреляционным функционалом Ли-Янга-Парра (X3LYP). В качестве базисных функций использовался корреляционно-согласованный поляризованный валентный трехэкспоненциальный базисный набор cc-pVTZ. Константы скоростей элементарных стадий (адсорбция/десорбция, ассоциативная и ударная рекомбинация) получены согласно теории переходного состояния, адаптированной к поверхностным реакциям [1]. Рассчитанные константы скоростей рассматриваемых процессов были аппроксимированы в обобщенной форме Аррениуса в диапазоне температур 500–2200 К.
На основе построенной модели каталитических реакций и ряда феноменологических моделей на поверхности SiO2 проведен расчет модельной задачи обтекании сферы в рамках приближения вязкого ударного слоя для условий полета соответствующей высоте 60 км и скорости 7.5 км/с для широкого диапазона температур поверхности 500-2000 K. Исследовано влияние отдельных гетерогенных каталитических процессов на структуру и химический состав течения.
1.Kroupnov A.A., Pogosbekian M.J. Interaction of dissociated air with the surface of β-cristobalite material // Acta Astronautica. 2023. T. 203. № . 2. C. 454–468.
