Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике (Ковалев В.Л., 2002 - Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике)

Издание осуществлено про поддержке г сЯ> ьт Рогсойскоео фонда фундоментальньа исследований по проекту 01-01-!410з УДК 533.6 К56 ББК 22.253 К о в а л е в В. Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике, Мл ФИЗМАТЛИТ, 2002. 224 с. 18ВМ 5-9221-0198-6. 18В~8 5-9221-0198-6 © ФИЗМАТЛИТ, 2002 В книге анализируются и обобщаются результаты фундаментальных исследований, связанных с изучением гетерогенных каталитических процессов, происходящих при движении с большой сверхзвуковой скоростью летательных аппаратов в атмосфере Земли и Марса.

Основное внимание уделяется анализу моделей каталитических свойств теплозащитных покрытий космических аппаратов, основанных на детальном учете моханизма протекания гетерогенных каталитических реакций. Для специалистов научно-исследовательских институтов, преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в областях азротермодинамнки, теплообмена и ракетно-космической техники. огллвлкник Введение. Г л а в а 1. Основные понятия 1.!.

Гетерогенные каталитнческне реакции............... 1.2. Эмпирический подход 1.3. Детальное моделирование гетерогенных каталитнческих реакций . 0 12 Г л а в а 2. Катализ на теплозащитных покрытиях в диссоциированном воздухе 2.1. Эмпн1зичсские модели 32 2.2. Моделирование каталвтв зеских свойств поверхности на основе теории адсорбированного слоя Ленгмюра........

47 2.3. Учет эффектов скольжения на теплозащитных покрытиях 95 2.4. Многокомпонентная диффузия прв обтекании каталвтнческнх поверхностей химически реагирующей смесью газов 107 Г л а в а 3. Особенности теплообмена с многоразовыми покрытиями гиперзвуковых космических аппаратов 3.1. Влияние размеров аппарата, высоты и скорости полета на теплообмен с каталитпческой поверхностью ............ 115 3.2. Явление «сверхравновесного нагревая ......, ........

120 3.3.Космические аппараты «Боргэ «Бурана н «Спейс Шаттл» 121 3.4. Корабли с азродинамичоским торможениех1........... 128 3.5. Гнперзвуковые грансатмосферные корабли н малые тела 131 Глава 4. Моделирование каталитических свойств теплозащитных покрытий при входе в атмосферу Марса 4.1.

Скорости образования компонентов диссоцннрованной смеси СО и Хз в гетерогенных каталнтнческих реакциях . 132 4.2. Каталнтнческне свойства покрытий высокотемпературных теплозашитных материалов .................... 137 4.3. Влияние физической адсорбцин атохюв на тепловые потоки к кагалнтнческой поверхности .........., .........

146 Оглавление Глава 5. Некоторые математические модели и методы исследования течений у каталитических поверхностей 5.1. Система уравнений Навье-Стокса для многокомпонснт.- ных химически реагирующих частично ионизованных смесей газов 159 5.2. Упрощенные уравнения Навье-Стокса......,......, . 170 5.3.

Описание турбулентного режима течения ............ 182 5А. Метод глобальных итераций численного исследования неравновесных течений у каталитических поверхностей ... 188 5.5. Формулы для тепловых и диффузионных потоков к каталитическим поверхностям в хими госки неравновесном многокомпонентном пограничном слое...................

205 210 Литература. Носвшцае«псл па влти О.Н. Суслова ВВЕДЕНИЕ Большой практический интерес к изучению процессов взаимодействия многокомпонентных газовых смесей с каталитическими поверхностямв при их сверхзвуковом обтекании возник при создании космических летательных аппаратов многоразового использования «Спейс Шаттл» и «Буран». Для таких аппаратов на теплонапряженном участке траектории входа в атмосферу Земли реализуются неравновесные условия обтекания, и применение ннзкокаталитических покрытий позволяет существенно снизвп тепловые потоки н, следовательно, уъ«еньшнть вес теплозащиты и увеличить полезную нагрузку. Интерес к указанной проблеме усилился в связи с созданием международной космической станции с у ~астием России, СШЛ, Европы, Японии и Канады, а также в связи с разработкой гнперзвуковых транспортных систем, таких как «ъ'АБР в СШЛ, йапбег в Германии, НОТО1.

в Англии, аэрокосмический планер в Японии и возвращаемых аппаратов типа европейского «минв — шаттла» Негшев н японского НОРЕ. О развитии своей собственной программы пшютнруемых полетов обьяввл и Китай. Этн проекты вызвали значитетьнук> научнукь активность повсюду в мире как в области теоретических, так н экспериментальных исследований. Усилия, связанные с созданием спасательного космического корабля Х вЂ” 38 для возвращения с международной космической станции в случао опасности, также повысили интерес к эффективным теплозашнтиым системам. Дальнойший толчок для будущих космических транспортных технологий должны дать программы создания гиперзвуковых многоразовых летательных аппаратов Х вЂ” 33, Х вЂ” 34, Х-37.

Новые проблемы в области науки и технологии выдвигают также проекты научных экспедиций на Марс, которые могут быть реализованы в ближайшие годы. Соответствующие научные разработки н адекватная база данных необходимы и для реализации в следующих десятилетиях проектов новых гражданских транспортных систем на основе обновленных технологий гиперзвуковой аэродинамики. Характерной особенностью задач аэродинамики и теплообмена больших сверхзвуковых скоростей является необходимость совместного учета диссипативных пропессов, обусловленных вязкопъью, теплопроводностью и диффузией, а также физико-химических процессов в газе и на поверхности, которые могут приводить к ка ъественно новым эффектам по сравнению с течениями совершенного газа ~1-15~.

В таких задачах мы иъъееъ«дело с многокомпоненкной, высокотемпературной, химически реагируя>шой смосью в высокоскоростном потоке, в котором могут протекать процессы релаксации внутренних Введение степеней свободь!, диссоциация, ионизация, излучение, магннтогидродинаъшческие явления и другие процессы. На траектории полета в атмосфере режимы течения около аппаратов меняются от дозвукового до гиперэвукового, от сплошной среды до свободно ъюлекулярного, от ламинарного до турбулентного. При этом я широком диапазоне меняются безразмерные числа Маха, Кнудсена, Рейнольдса и Дамкелера. Примерные границы влияния различных физико- химических процессов в окрестности критической точки сферы с радиусом затупления Ло = 30, 5 см при полете в атмосфере Земли в зависимости ог скорости полета $' н высоты полета 6 приведены на рис. В.1 (16).

Здесь а области у! наблюдается химическое и термоди- Ь,км 90 бО ЗО 0 3 б 9 !2 !5 ъ; кърс Рис. В.!. Режимы течения и термохимические явления в области торможения намнческое равновесие: в области В имеет место термодннамическое равновесие, но химические реакции протекают неравновесно: в области С наблюдаотся химическое н тгрмодинамическое неравновесие, при этом возбуждение колебательных степеней свободы необходимо учитывать уже в области 12. Заметим, что в области 1 воздух еще не диссоциироаан, его основными коъъпонентаъъи являются молекулы Оз, Чх, однако моделью совершенного газа можно пользоваться только в области Е. В области П наблюдается диссоциация воздуха и необходимо использовать уже 5.компонентную модель для его описания (Оз, Нз, ХО, О.

ъ), В последующих областях наблюдается ионизация. Например, в области П1 необходимо учитывать 7 компонентов (Оз,7хз, ХО, О, Н, ХО+, е ), а в области 1Ч вЂ” - !1 компонентов (О,Хз, ХО, О,Х,ХО+,О,~~, Х~, Оъ, Хъ,е ). На рисунке криаой 1 показана траектория аппарата «Спейс П1аттль, область й — типичный летный коридор косми ъеских транспортных аппаратов с аэродинамическим торможением (ЛЯТУ,'ЛОТА'), а область 3-- типичный летный коридор для национального аэрокосмического планера (МЛЯР).

Некоторымн практическими следствиями высокотемпературных явлений в гиперзвуковых потоках являются сушественные изменения отхода ударной волны, максимума тепловой нагрузки, сопротивления трения Введение оболочки, снл и моментов, действующих на аппарат. Важно отмеиггь, что не только тепловые потоки, но и аэродинамические характеристики гиперзвуковых летательных аппаратов также зависят от нысокотемпературных химических процессов.