«Эффект скольжения»: российские учёные создали математическую модель для оптимизации теплозащиты космических аппаратов

Российские учёные из СПбГУ разработали математическую модель, которая позволит конструкторам рассчитывать оптимальные параметры теплозащитного покрытия космических спускаемых аппаратов, а также найдёт применение в ряде других высокотехнологичных областей. Модель учитывает весь спектр физических и химических условий, которые возникают вокруг быстро движущегося твёрдого тела в обычном и разреженном газе. В таких условиях могут меняться не только температура, но даже состав среды — всё это влияет на работу техники, отмечают специалисты.

• Legion-Media
• © Piemags

Учёные Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали математическую модель, которая поможет оптимизировать теплозащиту космических аппаратов, а также найдёт применения в ряде других высокотехнологичных областей. Модель позволяет рассчитать параметры трения твёрдого тела о газовую среду, сообщили RT в пресс-службе университета. Результаты опубликованы в журнале Physics of Fluids. Работа проводилась при поддержке Российского научного фонда.

Математическая модель учитывает неравновесные (меняющиеся) процессы, которые протекают при трении потоков газа о поверхность быстро движущегося тела. В такой системе могут быстро меняться как химические, так и физические параметры — к примеру, может происходить ионизация газа и химические реакции между его молекулами, а также меняться температура и давление.

• Двигатели РД-180 и РД-171 в музее НПО «Энергомаш»
• РИА Новости
• © Илья Питалев

С помощью созданной учёными модели конструкторы смогут рассчитать изменения физических параметров при движении твёрдого тела в разреженном газе — в этом случае наблюдаются так называемый эффект скольжения. Это означает, что вблизи поверхности твёрдого тела температура и скорость газовых потоков меняется. Кроме того, поверхность движущегося объекта может выступать в роли катализатора, провоцируя молекулы газа вступать в химические реакции друг с другом.

Все эти эффекты заметно влияют как на состав газа, так и на передачу тепла и массы. Также модель учитывает такие явления, как адсорбция и десорбция на поверхности тела и другие.

«Это позволило детально описать динамику и кинетику разреженного неравновесного газа вблизи поверхности твёрдых тел. Главными особенностями полученных граничных условий (применимых на практике. — RT) являются способность корректно интерпретировать эффекты физического взаимодействия газа с поверхностью тела и учитывать влияние межфазных гетерогенных химических реакций», — пояснила RT заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ Елена Кустова.

Разработанная математическая модель позволит решить ряд практических задач. Например, её применение поможет конструкторам улучшить покрытие спускаемых космических аппаратов — уменьшение слоя тепловой защиты позволит увеличить полезную нагрузку корабля. Кроме того, она может найти применение при исследовании сверхзвуковых потоков в соплах наземных аэродинамических установок и ракетных двигателей, а также для анализа потоков газа в микроэлектронной промышленности.

Учёные уже протестировали свою разработку, уточнив с её помощью параметры течения разреженного газа вблизи спускаемого космического аппарата с покрытием из диоксида кремния. Новые расчёты показали, что тепловой поток у стенки аппарата на высоте 85 км будет примерно на четверть меньше, чем показывали стандартные расчёты.

Источник