Влияние гетерогенных каталитических процессов на тепловые потоки к теплозащитным покрытиям при входе космических аппаратов в атмосферы Земли и Марса

Ковалев В.Л.

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия

При полете тел с гиперзвуковой скоростью в атмосферах Земли, Марса и других планет  неравновесные процессы в газовой  фазе и на поверхности оказывают большое влияние на   тепловые потоки к теплозащитным покрытиям. При этом, если отличие в  величинах тепловых потоков для различных моделей гомогенных процессов достигает 25% , то их величины, полученные при различных предположениях о каталитических свойствах поверхности, могут отличаться в несколько раз. Поэтому достаточно точный учет поверхностных процессов имеет решающее значение при создании новых  космических аппаратов.

      Усилия, предпринятые для понимания и моделирования каталитических процессов на поверхности возвращаемых космических аппаратов,  отражены в большом количестве моделей гетерогенной рекомбинации, построенных в последние годы [1]. В настоящее время  накоплен значительный объем экспериментальных и теоретических   исследований по высокотемпературному катализу  в диссоциированном воздухе  в связи с разработкой системы теплозащиты воздушно-космических самолетов “Спейс Шаттл” и "Буран".         Первоначально в теоретических моделях гетерогенный катализ описывался реакциями первого порядка с константами скоростей, определяемыми   из эксперимента. Позднее были предложены более точные модели, основанные на теории идеально адсорбированного слоя Ленгмюра. Эти модели позволили при соответствующем подборе  параметров удовлетворительно описать аэродинамический нагрев наветренной поверхности многоразовых космических аппаратов вдоль всей траектории спуска в атмосфере Земли. Работ, посвященных детальному изучению гетерогенного катализа  при высоких температурах в  диссоциированном  углекислом газе,  значительно меньше. Для оценки тепловых потоков при входе в атмосферу Марса обычно рассматривались предельные случаи идеально каталитической и некаталитической поверхностей.  В работах [2-4] для покрытий космических аппаратов, входящих в атмосферу Марса, предложены феноменологические модели, основанные на подробном рассмотрении механизма протекания гетерогенных каталитических реакций. Первые результаты измерений параметров потока в высокочастотном плазмотроне,  а также величин теплового потока к каталитической поверхности и ее равновесной температуры, в диссоциированном  углекислом газе для трех видов покрытий теплозащитных материалов и кварца опубликованы в [5].

Тем не менее, процессы, связанные с гетерогенной каталитическими реакциями на теплозащитных покрытиях, все еще остаются недостаточно изученными как экспериментально, так и теоретически. Имеющиеся теоретические модели не позволяют предсказать теплопередачу к поверхности космических аппаратов с удовлетворительной точностью и часто приводят к противоречивым результатам, так как не в полной мере учитывают образование на поверхности частиц с возбужденными внутренними степенями свободы. Так, обычно предполагается, что имеет место полная аккомодация химической энергии на поверхности. Однако имеющиеся экспериментальные данные по коэффициентам аккомодации характеризуются большим разбросом (до порядка величины и выше). Более того, эти данные практически отсутствуют для современных теплозащитных покрытий для условий входа в атмосферы Земли и Марса.   Необходимость  использования новых материалов в системах  теплозащиты усиливает актуальность исследования механизмов рекомбинации и процессов аккомодации химической энергии на них.

В данной работе делается оценка влияния различных механизмов гетерогенного катализа в диссоциированном углекислом газе на поверхности стекловидного покрытия теплозащитных материалов – химической и физической адсорбции,  реакций  Или-Райдила и Ленгмюра-Хиншельвуда с участием  физически и химически адсорбированных частиц, а также гетерогенной рекомбинации атомов углерода. Оценки получены на основе некоторых имеющихся в литературе данных для констант скоростей  этих процессов путем сравнения с экспериментальными данными. Сравнение с экспериментальными данными позволило уточнить параметры модели катализа.На основе простой феноменологической модели гетерогенной рекомбинации атомов кислорода, учитывающей образование на поверхности молекул кислорода с возбужденными электронными степенями свободы, проведен анализ теплообмена в экспериментальной установке.