Privacy
новости

Ученые СПбГУ разработали математическую модель, позволяющую оптимизировать проектирование теплозащиты космических аппаратов

Механики Санкт-Петербургского университета разработали математическую модель, учитывающую неравновесные процессы, происходящие при высоких скоростях в потоке газа и на поверхности. Данная модель может быть использована для детального моделирования взаимодействия газа с поверхностью космического аппарата, что крайне важно при проектировании его тепловой защиты.
В неравновесном течении газовой смеси микроскопические процессы, связанные с взаимодействиями молекул (перераспределение внутренней энергии, химические реакции, ионизация), происходят в том же масштабе времени, что и изменения гидродинамических параметров (скорости, давления, температуры). Это происходит при высоких скоростях и температурах газа. Ученые во всем мире изучают эти процессы.

Еще более интересные явления происходят при взаимодействии неравновесного разреженного газа с поверхностью твердого тела. Когда газ находится вблизи поверхности, скорость и температура могут сильно отличаться от значений в объеме газа из-за низкой плотности. Это называется «эффектом скольжения» и отражает физическое взаимодействие газа с твердой поверхностью. Поверхность тела также может действовать как катализатор, влияя на энергетические состояния частиц и протекающие химические реакции. Эти воздействия существенно влияют на состав смеси и передачу тепла и массы.

«В рамках нашего исследования была разработана математическая модель, учитывающая неравновесные процессы в газе и на поверхности: адсорбцию/десорбцию, возбуждение и дезактивацию колебательных степеней свободы, гетерогенные химические реакции. Это позволило детально описать динамику и кинетику разреженного неравновесного газа вблизи поверхности твердых тел. Главной особенностью полученных граничных условий является способность корректно интерпретировать эффекты физического взаимодействия газа с поверхностью тела и учитывать влияние межфазных гетерогенных химических реакций», — рассказала заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ Елена Кустова.

Учет данных эффектов чрезвычайно важен в ряде практических задач. Например, связанных с входом спускаемых космических аппаратов в атмосферы планет, исследованием сверхзвуковых потоков в соплах наземных аэродинамических установок и ракетных двигателей, анализом газовых потоков в микроканалах, используемых в микроэлектронике и вакуумных установках. Модель может быть использована для проектирования тепловой защиты космических аппаратов. В частности, уменьшение слоя тепловой защиты спускаемого аппарата открывает перспективы для увеличения его полезной нагрузки.

Модель была протестирована на примере исследования течения газа вблизи спускаемого аппарата с поверхностью из диоксида кремния в атмосфере Земли. Результаты показали, что влияние разреженности является более важным для предсказания свойств течения по сравнению с влиянием химических реакций на низкоактивной поверхности. Тепловой поток у стенки аппарата, рассчитанный по новой модели, на высоте 85 км оказался примерно на 25% ниже, чем при использовании стандартных граничных условий.

Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда «Экспериментальное и теоретическое исследование сверхзвуковых течений газов с плазменными образованиями».
Источник: пресс-служба СПбГУ
Изображение сгенерировано нейросетью «Кандинский»
#СПбГУ
#Математика
#Физика
#Космос
#Наука
#Исследования
#ОбразованиеПресс
#НовостиВУЗов