Новости

31 августа, 2023 15:38

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

Источник: RT
Российские ученые из СПбГУ разработали математическую модель, которая позволит конструкторам рассчитывать оптимальные параметры теплозащитного покрытия космических спускаемых аппаратов, а также будет применена в ряде других высокотехнологичных областей. Модель учитывает весь спектр физических и химических условий, которые возникают вокруг быстро движущегося твердого тела в обычном и разреженном газе. В таких условиях может меняться не только температура, но даже состав среды — все это влияет на работу техники, отмечают специалисты. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physics of Fluids.
Источник: Legion-Media © Piemags
Тепловой поток в пограничном слое на линии торможения с учетом эффекта скольжения и химических реакций. Источник: Елена Кустова
3 / 4
Источник: Legion-Media © Piemags
Тепловой поток в пограничном слое на линии торможения с учетом эффекта скольжения и химических реакций. Источник: Елена Кустова

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали математическую модель, которая поможет оптимизировать теплозащиту космических аппаратов, а также будет применена в ряде других высокотехнологичных областей. Модель позволяет рассчитать параметры трения твердого тела о газовую среду, сообщили RT в пресс-службе университета.

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.

С помощью созданной учеными модели конструкторы смогут рассчитать изменения физических параметров при движении твердого тела в разреженном газе — в этом случае наблюдаются так называемый эффект скольжения. Это означает, что вблизи поверхности твердого тела температура и скорость газовых потоков меняются. 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 твердых 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.

Двигатели РД-180 и РД-171 в музее НПО «Энергомаш». Источник: РИА Новости/Илья Питалев

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

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

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

16 июля, 2024
Наглядный полимер: биоинженерные имплантаты заменят костную ткань
Российские ученые разрабатывают уникальные имплантаты, которые позволят отказаться от применения дон...