Физико-химические процессы за фронтом ударных волн в смеси

Физико-химические процессы за фронтом ударных волн в смеси CO2-N2
Е.М. Анохин
Московский физико-технический институт (государственный университет)
anohin@neq.mipt.ru
В последнее время снова наблюдается рост интереса к развитию космических
программ. Планируется проведение пилотируемого полета на Марс (NASA) с
использованием аэродинамического торможения в верхних слоях атмосферы. Поэтому
актуальна задача создания эффективной тепловой защиты космического корабля в
отличных от земной атмосферы условиях и новом диапазоне скоростей. В ударных
слоях, возникающих при движении гиперзвуковых космических аппаратов в
атмосфере, происходит новый для классической газовой динамики процесс переноса
энергии излучением, который может существенно повлиять на нагрев аппарата и на
параметры газа в ударном слое.
Эксперименты с использованием ударной трубы позволили получить массив
экспериментальных данных, который сделал возможным создание кинетической схемы
физико-химических процессов за фронтом сильных ударных волн в смесях CO2-N2-Ar.
Так как непосредственно за фронтом ударной волны устанавливается существенно
неравновесное распределение энергии по различным степеням свободы молекул смеси,
то для расчета концентраций реагирующих веществ используется метод поуровневой
кинетики.
Преимущество
такого
подхода
выражается
в
возможности
непосредственного наблюдения различных неравновесных процессов, протекающих за
фронтом ударной волны, без введения каких-либо дополнительных условий на
свойства распределения энергии.
Данная кинетическая схема позволяет получать кинетические кривые веществ и
соединений вдоль пробки ударно нагретого газа, то есть имеется возможность
определить химический состав реагирующей смеси в любой момент времени за
фронтом ударной волны.
Включение в схему процессов заселения электронных степеней свободы
молекул и процессов излучения позволяет определять абсолютную интенсивность
излучения четвертой положительной системы CO, фиолетовой системы CN и системы
полос Свана молекулы C2, а также кинетическую зависимость излучения молекулярной
полосы от времени. Это позволяет предсказывать радиационные тепловые потоки,
обусловленные данными системами, при различных скоростях ударной волны и
начальном давлении. Это также позволяет при знании величины отхода ударной волны
от спускаемого аппарата определить относительный вклад неравновесной и
равновесной зон излучения в суммарный радиационный поток на спускаемый аппарат.
Показано, что большую роль на физико-химический состав неравновесной зоны
ударной
волны
оказывают
процессы,
протекающие
при
существенно
небольцмановском распределении внутренних степеней свободы по энергиям. Было
получено хорошее согласие расчетных кривых излучения и экспериментальных
данных. Сравнение расчетных и экспериментальных данных проводилось по таким
параметрам, как полуширина неравновесного пика излучения, отношение
интенсивностей неравновесного и равновесного пиков излучения, там, где это было
возможно, сравнивались абсолютные интенсивности излучения.
Данная работа поддержана Федеральным агентством по образованию РФ в
рамках программы “Развитие научного потенциала высшей школы” и грантами МНТЦ
1440 и РФФИ 02-03-33376.