Определение коэффициента рекомбинации ТЗП из SiC для условий полета аппарата Pre-X в атмосфере Земли

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 1101-1103

УДК 533.9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РЕКОМБИНАЦИИ ТЗП ИЗ 81С ДЛЯ УСЛОВИЙ ПОЛЕТА АППАРАТА РЯЕ-Х В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

© 2011 г. В. И. Сахаров

НИИ механики Московского госуниверситета им. М.В. Ломоносова

sakharov@imec.msu. ги

Поступила в редакцию 16.05.2011

Проведенные расчеты тепловых потоков к цилиндрической модели с плоским торцом для условий экспериментов на установке ВГУ-4, моделирующих теплообмен в окрестности точки торможения на траектории спуска аппарата РЯБ-Х в атмосфере Земли, позволили определить эффективную вероятность рекомбинации образца теплозащитного материала (ТЗП) из БЮ. Применение при расчете карты тепловых потоков упрощенной газодинамической модели - уравнений пограничного слоя конечной толщины - существенно снизило вычислительные затраты, однако не повлияло на точность определения эффективной вероятности рекомбинации атомарных компонентов на ТЗП. Использование в расчетах, наряду с однотемпературной, многотемпературной модели газовой среды показало несущественное влияние ко -лебательной релаксации на каталитические свойства ТЗП для условий, моделирующих теплообмен к аппарату. Проведенные расчеты предсказывают снижение температуры на 300-350 К к поверхности образца из БЮ по сравнению с идеально-каталитической поверхностью для режимов, моделирующих теплообмен при движении аппарата вдоль траекторий в атмосфере Земли.

Ключевые слова: космический аппарат РЯБ-Х, индукционный плазмотрон, численное моделирование, теплообмен с поверхностью, каталитические свойства.

В таблице 1 приведены значения скорости, теплового потока для идеально каталитической стенки в точке торможения в трех точках траектории спуска аппарата РЯБ-Х в атмосфере Земли. Там же на основании теории моделирования теплообмена в точке торможения [1] при входе в атмосферу Земли аппарата РЯБ-Х представлены параметры работы высокочастотного индукционного плазмотрона ВГУ-4 и ряд измеренных в экспериментах параметров в дозвуковом режиме его работы.

ки торможения с рассчитанной. Совпадение этого параметра в расчете и в эксперименте позволит определить значение величины для данного ТЗП, которая входит в модель гетерогенного катализа первого порядка [2]. Расчеты проводились в рамках уравнений Навье — Стокса (Н-С) с использованием химически и термически неравновесных моделей газовых сред [2].

Экспериментальная модель имеет форму кругового цилиндра с торцевым затуплением и поперечным размером (диаметром) 140 мм, в

Таблица 1

Параметры для исследования каталитических свойств материала 81С в воздушном потоке

Точка траектории (режим) V^ , м/с Давление, ГПа Тепловой поток, кВт/м2 , кВт К.п.д. ВГУ-4 Расстояние до модели, мм Модель БЮТ , К Ум

1 7230 20 540 45 0.59 200 1496 1-10—3—210—3

2 6657 38 584 52 0.59 130 1543 2-10—4—5 10—4

3 5584 78 528 37.4 0.63 100 1576 0.0

Для определения эффективной вероятности гетерогенной рекомбинации атомов в диссоциированной смеси газов на теплозащитном покрытии модели, обтекаемой высокоэнтальпийным потоком газа в индукционном плазмотроне, необходимо провести сравнение измеренной в эксперименте температуры поверхности в области точ-

центральную часть которого помещен образец из БЮ. Как показано в работе [3], тепловой поток к модели при Ят/Яс > 1 практически не зависит от диаметра модели 2Ят, а определяется диаметром канала 2Яс (струи), что также нашло подтверждение в проведенных предварительных расчетах. Расход воздуха для всех режимов в расчетах и

экспериментах принимался О = 2.4 г/с. Остальные параметры работы плазмотрона приведены в табл. 1.

Многочисленные расчеты, которые необходимо проводить в рамках уравнений Н—С для определения эффективной вероятности рекомбинации атомов на поверхности ТЗП, требуют много-

кратно повторяющихся вычислений при вариации лишь одного параметра — коэффициента , и результаты будут меняться лишь в узком диффузионном слое около поверхности тела. Поэтому расчеты в области точки торможения были проведены с использованием упрощенной газодинамической модели течения—уравнений пограничного слоя (ПС) конечной толщины с учетом завихренности на внешней границе [3]. Граничные условия на внешней границе пограничного слоя заданной толщины, необходимые для решения этой задачи, могут быть взяты из единственного расчета, проведенного с использованием полных уравнений Н—С. В результате численных расчетов уравнений ПС при вариации двух параметров задачи и Тк может быть получена карта тепловых потоков (Тк, У»), пользуясь которой путем наложения на нее экспериментально измеренной на поверхности образца температуры Тк и рассчитанного для равновесно излучающей стенки теплового потока, определялась эффективная вероятность гетерогенной рекомбинации для испытываемого в данном эксперименте покрытия.

На рис. 1 приведена карта тепловых потоков, построенная для первого из трех рассчитанных режимов обтекания образца для термически равновесного случая. На рисунке обозначено: 1 — уравнения Н—С; 2 — эксперимент (плитка); 3 — эксперимент (БЮ); 4 — уравнения ПС.

Измеренная в эксперименте в области точки торможения температура поверхности модели со вставкой из материала БЮ и значения см. в табл. 1. На карте нанесены также результаты экспериментов для материала теплозащиты (плитка), применяемого в ВКС «Буран». Отметим, что для построения карт тепловых потоков данные на внешней границе ПС для всех значений температуры поверхности Т„ и всех моделей газовой среды выбирались из решения уравнений Н—С для хо -лодной медной поверхности. Тем не менее, определенные при решении системы уравнений Н—С тепловые потоки в области точки торможения модели при всех значениях Т„, как видно из рисунка, хорошо согласуются с «погранслойными» значениями.

Проведенные расчеты предсказывают снижение температуры на 300—350 К к поверхности образца из БЮ по сравнению с идеально-каталитической поверхностью для режимов, моделирующих теплообмен при движении аппарата вдоль траектории в атмосфере Земли.

Работа выполнена совместно с А.Ф. Колесниковым и А.Н. Гордеевым (ИПМех РАН ).

дте,Вт/см 2

Рис. 1

Список литературы и газа. 2007. № 6. С. 157—168.

1. Колесников А.Ф. // Изв. АН СССР. Механика 1 Колесников А.Ф., Якушин М.И. // Г^ршо

жидкостии газа. 1993. № 1. С. 172—180. кие научные чтения по КосмоНаВтиКе и аВиаДии: Сб.

2. Сахаров В.И. // Изв. РАН. Механика жидкости науч. трудов. М: Наука, 1987. С. 97—120.

DETERMINATION OF THE SiC RECOMBINATION COATING COEFFICIENT FOR THE PRE-X RE-ENTRY SPACE VEHICLE IN THE EARTH'S ATMOS

V.I. Sakharov

Numerical simulation of subsonic ICP flow and exhausted air-plasma jets around the flat-face model with SiC coating were performed for IPG-4 (IPM RAS) facility test regimes simulating the re-entry heating of the Pre-X space vehicle (Earth). The calculation of the body heat flux maps was based on numerical solution of one-dimensional equations of laminar thermally and chemically non-equilibrium multi components boundary layer with finite thickness. The calculated values of the stagnation point heat fluxes for SiC samples do not depend on thermal non-equilibrium. The duplication predicts the reduction of the wall temperature of the SiC sample by 300-350 K with respects to fully a catalytic wall at the peak heating part of the trajectories.

Keywords: re-entry Pre-X space vehicle, inductive plasmatron, numerical simulation, heat transfer, catalytic properties.