Новости

31 августа, 2023 13:30

Математическая модель оптимизирует проектирование теплозащиты космических аппаратов

Российские ученые разработали математическую модель, описывающую поведение разреженных газов и плазмы вблизи поверхности твердого тела. Эта модель поможет при проектировании космических аппаратов и микроустройств, используемых, например, в электронике. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physics of Fluids.
Двигатели РД-180 и РД-171 в музее НПО «Энергомаш». Источник: РИА Новости/Илья Питалев

При создании самолетов и космических аппаратов конструкторы используют гидродинамические модели, которые учитывают физические и химические процессы, в том числе реакции между газом и поверхностью твердого тела. Это крайне важно при проектировании систем теплозащиты, препятствующих перегреву спускаемых с орбиты космических аппаратов в плотных слоях атмосферы.

Ранее разработанные модели не совсем подходят для решения таких задач, поскольку рассматривают газ, не учитывая взаимного влияния колебаний его молекул и химических реакций в потоке и на твердой поверхности в сочетании с эффектом проскальзывания газа. Скольжение возникает при достаточной разреженности газа рядом со стенкой аппарата, что наблюдается в атмосфере на больших высотах. Поэтому исследователи пытаются создать новую модель, которая преодолела бы недостатки уже существующих.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) разработали математическую модель, которая согласованно учитывает эффект скольжения и неравновесные процессы, протекающие в месте контакта твердого тела и газа при быстром изменении внешних условий. Предложенные уравнения подробно описывают баланс числа частиц газа на поверхности тела при взаимодействии твердой и газовой фаз. Эти процессы важны для расчета тепла, подводимого к поверхности при спуске аппарата на планету.


Тепловой поток в пограничном слое на линии торможения с учетом эффекта скольжения и химических реакций. Источник: Елена Кустова

На основе созданной математической модели авторы провели численное моделирование течения воздуха у поверхности из кварца, часто используемого для создания теплозащитных материалов. Оказалось, что на взаимодействие газа со стенками находящегося в нем объекта, например космического аппарата в атмосфере, сильнее всего влияет то, насколько газ разрежен. В частности, расчеты с помощью новой модели показали, что при спуске аппарата с орбиты на Землю на высоте 85 километров поток тепла на линии торможения на 25% ниже по сравнению с потоком, получаемым с использованием менее детальных моделей. В дальнейшем это поможет при расчете тепловых нагрузок на корпус устройства.

«Особенно актуальным становится детальное моделирование при проектировании передовых технологичных устройств, например космических аппаратов, спускаемых в атмосферы различных планет, ракетных двигателей и вакуумных установок. Наша модель может эффективно применяться в этих вопросах и при этом не требует больших вычислительных затрат. В дальнейших исследованиях мы планируем смоделировать течения у поверхности из более химически активного веществ, чем кварц, например металлов, так как для них тепловые потоки сильно увеличиваются», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Кустова, профессор Санкт-Петербургского государственного университета.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ
18 июля, 2024
Чувствительный к летучим соединениям молока «электронный нос» с 83% точностью оценил количество бактерий в продукте
Ученые создали датчик, который, подобно человеческому носу, улавливает летучие соединения, содержа...
18 июля, 2024
Кристаллографы СПбГУ расшифровали структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Международная группа ученых под руководством кристаллографа Санкт-Петербургского государственного ун...