Исследование и обоснование теоретических закономерностей физико-химических процессов гетерогенной рекомбинации при аэрогазодинамическом обтекании и нагреве материалов выше 2000ºС скоростными высокоэнтальпийными потоками газов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00352

НазваниеИсследование и обоснование теоретических закономерностей физико-химических процессов гетерогенной рекомбинации при аэрогазодинамическом обтекании и нагреве материалов выше 2000ºС скоростными высокоэнтальпийными потоками газов

Руководитель Рабинский Лев Наумович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова Каталитичность, гетерогенная рекомбинация, плазменный поток, высокотемпературное окисление, ионная проводимость, механизм, закономерность, жаростойкость, газодинамические испытания, композиционные материалы

Код ГРНТИ55.49.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научная проблема, на решение которой направлен проект, состоит в исследовании поверхностных физико-химических явлений, возникающих при сверхвысоких температурах в условиях взаимодействия материалов со скоростными высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащих газов, при эксплуатации стратегических сверхскоростных летательных аппаратов и многоразовых аэрокосмических транспортных средств. Актуальность и своевременность проекта подтверждается возросшей потребностью ракетно-космической отрасли в жаропрочных материалах и жаростойких покрытиях, работоспособных при температурах 2000°C и выше в условиях аэрогазодинамического обтекания и нагрева плазмой. Отсутствие материаловедческих решений и прогрессивных технологий их воплощения увеличат отставание России в области сверх- и гиперзвуковых технологий, а, вместе с тем, поставят под удар обороноспособность нашей страны. Основной целью проекта является исследование и обоснование теоретических закономерностей физико-химических процессов гетерогенной рекомбинации и окисления, сопровождающих аэрогазодинамическое обтекание и нагрев материалов выше 2000ºС скоростными высокоэнтальпийными потоками газов. Для достижения поставленной цели будут продолжены систематические исследования в рамках авторского оригинального концептуального подхода к созданию сверхвысокотемпературных материалов и жаростойких покрытий. Подход базируется на выборе рациональной физико-химической модели работы материала, учитывающей и нивелирующей основные источники разрушения газовым потоком. Подход успешно реализован при создании жаростойких самозалечивающихся покрытий систем Si-TiSi2-MoSi2-TiB2-SiCw [RU 2522552, 20.07.2014], Si-TiSi2-MoSi2-TiB2-CaSi2 [RU 2685905, 23.04.2019] и ZrSi2-MoSi2-ZrB2 [Госзадание № 9.1077.2017/ПЧ, 2017-2019 гг.], работоспособных на С/C и С/SiC композитах в условиях обтекания и неравновесного нагрева потоками воздушной плазмы с числом Маха M = 5.5-6.0 и энтальпией 40-50 МДж/кг. Эволюционным развитием данной тематики является разработка композиционных материалов на основе углерода с тугоплавкой жаростойкой матрицей с отсутствием кремнийсодержащих соединений. Данный подход реализуется в настоящее время в рамках выполняемого коллективом гранта РНФ [Соглашение № 19-79-10258, 2019-2022 гг.]. Однако при проведении указанного исследования выявлен ряд специфических эффектов, описание которых выходит за рамки классических представлений теории гетерогенного катализа, физики твердого тела и физической химии. Это обуславливает необходимость критического анализа трактовки и обоснования явления каталитической рекомбинации, что и составляет предметную область исследования настоящего проекта. Разрешение выявленных противоречий позволит либо уточнить и дополнить существующую парадигму, либо создаст предпосылки для пересмотра последней в некоторой ее части. Планируется провести исследование процессов каталитической рекомбинации в части сопоставления теоретического обоснования традиционных механизмов рекомбинации с результатами модельных огневых экспериментов взаимодействия материалов со скоростными высокоэнтальпийными диссоциированными потоками газов с последующим исследованием структуры и свойств образцов. При этом будут проведены исследования каталитической рекомбинации в плазме воздуха, аргона и азота на образцах оксидных материалов поликристаллической, монокристаллической, аморфной структуры, а также оксидной керамики с различным содержанием металлов платиновой группы. Поскольку решение поставленных задач будет проводиться в едином базисе начальных условий и коэффициентов подобия, интерпретация полученных результатов позволит установить аналитическую связь между составом, структурой и свойствами материалов, с одной стороны, и воздействии каталитической гетерогенной рекомбинации, с другой. Экспериментальные работы по исследованию процессов каталитической рекомбинации будут проводиться во ФГУП «ЦАГИ» на высокоскоростной аэродинамической трубе ВАТ-104, оснащенной высокочастотным индукционным плазмотроном для подогрева газов. Будут моделироваться процессы термохимического взаимодействия образцов со скоростными потоками воздушной, азотной и аргонной плазмы при числе Маха M = 5.5-6.5 и энтальпии торможения до 55-60 МДж/кг с реализацией температур на поверхности в интервале 1700-2700°С. Огневые эксперименты будут сопровождаться вычислительным экспериментом. Наряду с исследованиями явлений, сопровождающих гиперзвуковое обтекание поверхности диссоциированными газовыми потоками, особое внимание предполагается уделить структурным исследованиям образцов после взаимодействия с плазмой. Предполагается, что помимо рекристаллизации и расстехиометрии поверхностного слоя, изменения твердости и других макроскопических свойств образцов, будут выявлены изменения микроскопического характера, а также изменения в спектрах фононного рассеивания и импедансной спектроскопии. Все работы, выполняемые в рамках проекта, будут сопровождаться исследованиями структурно-фазового состояния материалов с привлечением методов рентгеновского фазового анализа, малоуглового рентгеновского рассеивания, сканирующей электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа и др.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Федотенков Г., Рабинский Л., Лурье С. Conductive heat transfer in materials under intense heat flows Symmetry, Vol. 14 (9) (2022), 1950. (год публикации - 2022)
10.3390/sym14091950

2. Антуфьев Б.А., Орехов А.А., Рабинский Л.Н. Действие локального импульса давления на оболочку с композиционным теплозащитным покрытием Механика композиционных материалов и конструкций (год публикации - 2022)

3. Астапов А.Н., Жестков Б.Е., Погодин В.А., Сукманов И.В. Поведение лейкосапфира при взаимодействии со скоростными потоками воздушной и азотной плазм Материалы XXVIII Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова., Т. 1. – М.: ООО «ТРП», 2022. – С. 7 – 9. (год публикации - 2022)

4. Астапов А.Н., Погодин В.А., Тарасова А.Н., Рабинский Л.Н. Состояние вопроса в области исследования каталитических свойств материалов при взаимодействии со скоростными потоками газов Проблемы безопасности на транспорте: материалы XII Международной научно-практической конференции, посвященной 160-летию Бел. ж. д.: в 2 ч., Гомель : БелГУТ, 2022. – Ч. 2. − С. 165–166. (год публикации - 2022)

5. Астапов А.Н., Жестков Б.Е., Погодин В.А., Рабинский Л.Н. Исследование каталитической активности образцов поликристаллических и монокристаллических керамик Тезисы докладов 21 Международной конференции «Авиация и космонавтика», М.: Изд-во «Перо», 2022. – 8,06 Мб. [Электронный ресурс]. – С. 439 – 440. (год публикации - 2022)

6. Погодин В.А., Астапов А.Н., Жестков Б.Е. Interaction of leucosapphire single crystals with high-speed dissociated gas fluxes Russian Engineering Research, Vol. 43, No. 11. – P. 1434 – 1437. (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23110230

7. Ломакин Е.В., Лурье С.А., Рабинский Л.Н. Структура и механические свойства композитов с высокими демпфирующими свойствами Доклады РАН. Физика. Технические науки, Т. 510. – С. 69 – 75. (год публикации - 2023)
10.31857/S2686740023030136

8. Жестков Б.Е., Астапов А.Н., Маневич О.М., Плугин В.В., Сенюев И.В., Ртищева А.С., Штапов В.В. Методика исследования каталитической активности образцов поликристаллических и кристаллических материалов Материалы XXXIII научно-технической конференции по аэродинамике, С. 59. (год публикации - 2023)

9. Царева У.С., Астапов А.Н. Механизм разупрочнения УУКМ в условиях низкотемпературного окисления Сборник тезисов работ XLIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения – 2023»., М.: Изд-во «Перо», 2023. – 7,43 Мб. [Электронный ресурс]. – С. 654 – 655. (год публикации - 2023)

10. Погодин В.А., Жестков Б.Е., Астапов А.Н., Диденко А.А., Рабинский Л.Н. Исследование скорости каталитической рекомбинации в зависимости от состава плазмообразующего газа Материалы XXIX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова., Т. 1. – М.: ООО «ТРП», 2023. – С. 172 – 174. (год публикации - 2023)

11. Астапов А.Н., Жестков Б.Е., Погодин В.А., Ртищева А.С. Расчетно-экспериментальное исследование теплообмена образца высокотемпературной керамики в потоке плазмы Тезисы докладов VIII Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2023)., Новосибирск: ООО «Дигит Про», 2023. – С. 27. (год публикации - 2023)

12. Погодин В.А., Астапов А.Н. Поведение лейкосапфира при аэрогазодинамическом обтекании и нагреве потоками воздушной и азотной плазм Материалы Международной научно-практической конференции "Инновационное развитие транспортного и строительного комплексов", посвященной 70-летию БелИИЖТа – БелГУТа: в 2 ч., Гомель: БелГУТ, 2023. – Ч. 2. − С. 131–133. (год публикации - 2023)

13. Сандин А.С., Погодин В.А. Анализ зависимости механической прочности УУКМ в условиях объемного выгорания матрицы Сборник тезисов работ XLIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения – 2023»., М.: Изд-во «Перо», 2023. – 7,43 Мб. [Электронный ресурс]. – С. 650 – 651. (год публикации - 2023)

14. Бабайцев А.В., Вятлев А.П., Рабинский Л.Н. Влияние толщины отражающего слоя терморегулирующего покрытия на поглощательную способность и коэффициент излучения СТИН, 2024. – No. 4. (год публикации - 2024)

15. Рабинский Л.Н., Мартиросов М.И., Дедова Д.В., Хомченко А.В. Исследование динамики композитных цилиндрических панелей с сотовым заполнителем с внутренними повреждениями под действием струи авиационного двигателя СТИН, 2024. – No. 4. (год публикации - 2024)

16. Антуфьев Б.А., Егорова О.В., Рабинский Л.Н., Глумова (Царева) У.С. Деформирование локально нагретой цилиндрической оболочки Механика композиционных материалов и конструкций, Т. 30, No. 1. – С. 3 – 9. (год публикации - 2024)
10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.01

17. Погодин В.А., Жестков Б.Е., Астапов А.Н., Тарасова А.Н. Исследование каталитической активности оксидных керамик, модифицированных иридием Материалы XXX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. – Калужская обл., г. Кремёнки, санаторий «Вятичи», 20 – 24 мая 2024 г., Т. 1. – М.: ООО «ТРП», 2024. – С. 182 – 184. (год публикации - 2024)

18. Астапов А.Н., Жестков Б.Е., Ртищева А.С. Исследование характеристик жаростойкого стеклокерамического покрытия в скоростном потоке воздушной плазмы Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, No. 1. (год публикации - 2025)

19. Антуфьев Б.А., Орехов А.А., Глумова (Царева) У.С. Stability of a Composite Plate in a High-Enthalpy Gas Flow Russian Engineering Research, Vol. 44, No. 5. – P. 742 – 745. (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24700990

20. Диденко А.А., Астапов А.Н., Сукманов И.В. Методы повышения стойкости углерод-керамических композиционных материалов к окислению и абляции Проблемы безопасности на транспорте: материалы XIII Международной научно-практической конференции, посвященной Году качества: в 2 ч., Гомель, 21 – 22 ноября 2024 г., Гомель: БелГУТ, 2024. – Ч. 2. − С. 135–136. (год публикации - 2024)

21. Матуляк А.И., Астапов А.Н., Погодин В.А., Тарасова А.Н. Получение покрытий на основе системы MoSi2-HfB2 на УККМ из порошковых композиций MoSi2-HfB2-Si, MoSi2-HfSi2-SiB4 и MoSi2-HfB2-HfSi2-SiB4 Проблемы безопасности на транспорте: материалы XIII Международной научно-практической конференции, посвященной Году качества: в 2 ч., Гомель, 21 – 22 ноября 2024 г., Гомель: БелГУТ, 2024. – Ч. 2. − С. 174–175. (год публикации - 2024)

22. Матуляк А.И., Астапов А.Н., Погодин В.А. Obtaining of coatings based on the MoSi2-HfB2 system on a C/C-SiC composite from the MoSi2-HfB2-Si, MoSi2-HfSi2-HfB2-SiB4 and MoSi2-HfSi2-SiB4 powder compositions Nanoscience and Technology (год публикации - 2025)

23. Козлов С.Н., Жестков Б.Е. Механизмы гетерогенной рекомбинации атомов азота и кислорода Химическая физика, Т. 43, No. 10. – С. 49 – 60. (год публикации - 2024)
10.31857/S0207401X24100048

24. Глумова (Царева) У.С., Астапов А.Н. Получение и исследование окислительной стойкости покрытия ZrB2-ZrC-ZrSi2-MoSi2/SiC на УУКМ Сборник тезисов работ международной молодежной научной конференции L Гагаринские чтения 2024. Москва, 9 – 12 апреля 2024 г., М.: Изд-во «Перо», 2024. – 9,43 Мб. [Электронное издание]. – С. 608 – 609. (год публикации - 2024)

25. Ртищева А.С., Жестков Б.Е., Сенюев И.В., Астапов А.Н., Погодин В.А. Численное моделирование процессов теплообмена на поверхности и внутри образца поликристаллического SiO2 в потоке воздушной плазмы Ученые записки ЦАГИ., No. 2. (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основной целью проекта является исследование и обоснование теоретических закономерностей физико-химических процессов гетерогенной рекомбинации, сопровождающих аэрогазодинамическое обтекание и нагрев материалов выше 2000 °C скоростными высокоэнтальпийными потоками газов. Для верификации и обоснования процесса дополнительного разогрева поверхности при обтекании скоростными высокоэнтальпийными потоками использовали образцы монокристаллического лейкосапфира различной шероховатости и оксида кремния. В качестве модельного объекта применяли разработанный углерод-керамический композит класса C/C-HfC-HfB2-NbC-NbB2-TiC-TiB2-B4C-SiC. Исследование термохимического взаимодействия потоков с поверхностью материалов проводили при энтальпии торможения до 55-60 МДж/кг с реализацией температур на поверхности в интервале Tw = 1500-2700 °С. Рассчитан вклад дополнительного разогрева материалов в процессе аэрогазодинамического обтекания по соотношению температуры на их поверхности к мощности теплового потока. Показано несоответствие между числом активных центров на поверхности и значением константы скорости гетерогенной рекомбинации Kw, полученной в рамках теории пристеночной каталитической рекомбинации Или-Райдила и Ленгмюра-Хиншельвуда. Так, скорость рекомбинации Kw для лейкосапфира с различной степенью шероховатости составляет 20-24 м/с при условии, что число активных центров остается неизменным. Если соотнести реальное число центров рекомбинации с величиной удельной поверхности Sv = 0,32×10-6, 0,69×10-6 и 1,54×10-6 1/м или поверхностной шероховатостью Ra = 0,023, 0,073 и 1,214 мкм, то приведенное значение Kw составит 24, 16 и 10 м/с. Это обстоятельство позволяет заключить, что дополнительный разогрев – это результат взаимодействия диссоциированного кислорода с кристаллической решеткой оксидных материалов (селективная абсорбция кислорода в атомарном и ионном виде с образованием точечных и линейных дефектов). Данное заключение согласуется с тем фактом, что для расплава на поверхности, где число активных центров (атомов, имеющих неоднородности в электронной плотности) неограниченно возрастает, скорость рекомбинации стремится к нулю. Показано, что для контроля процесса теплового нагружения материалов в условиях аэрогазодинамического обтекания и нагрева необходимо препятствовать взаимодействию атомарного кислорода с кристаллической оксидной пленкой. Поскольку такое взаимодействие невозможно исключить в принципе, следует ограничить продолжительность контакта. Это возможно через абляционный унос продуктов окисления. По мере окисления и увеличения толщины оксидной пленки ее удаление позволит отвести часть тепла и ограничить время взаимодействия атомарного кислорода с кристаллической решеткой оксидных фаз. В случае компактных керамик контролировать толщины оксидных пленок затруднительно. Для реализации процесса контролируемой абляции следует чередовать слои керамики с материалом, образующим газообразные или жидкофазные продукты окисления. В этом случае слоистая структура гарантирует удаление оксидной пленки после полного окисления керамического слоя и достижения материала (или его составляющей), при окислении которого происходит обильное выделение газов или образование жидкой фазы. Результаты испытаний модельного слоистого углерод-керамического композита показали, что по мере воздействия ионизированного потока воздуха, часть тепла отводится во внешнюю среду за счет абляции. Об этом свидетельствуют выраженные колебания яркостной температуры во времени при газодинамических испытаниях композита в потоке воздушной плазмы. Чередование керамических и углеродных слоев позволяет «переключать» in situ режимы разогрева (при окислении и взаимодействии с атомарным потоком кислорода) и охлаждения (при абляции) поверхности. Число слоев и их толщины позволяют регулировать величиной тепловой нагрузки за счет изменения скорости окисления, абляции и временной продолжительности каждого из режимов. Безусловно, аэродинамический нагрев является более сложным и многофакторным явлением, чем это рассмотрено в данном исследовании. Однако, опираясь на результаты выполненных работ, высказана, а затем и подтверждена гипотеза, которая позволяет с одной стороны дать более адекватное научное обоснование наблюдаемого явления, а с другой – позволяет сделать шаг вперед в создании новых материалов, работоспособных выше 2000 °С при сверхзвуковом обтекании. Предложенный подход в организации слоистой структуры углерод-керамических композитов имеет признаки smart materials. За счет управления продолжительности процессов окисления и абляции можно в существенной степени изменять температурно-временные режимы эксплуатации материалов. Дальнейшее развитие предложенной концепции обеспечит импульс в развитии технологии сверхвысокотемпературных углерод-керамических композитов для нужд аэрокосмической и ракетной отраслей. Разработаны предложения и рекомендации по использованию результатов проекта для создания новых сверхвысокотемпературных композиционных материалов и технологий их получения. 1. Селективная абсорбция кислорода в атомарном и ионном виде, поглощение элементарных частиц кристаллической решеткой с образованием точечных и линейных дефектов приводят к дополнительному разогреву поверхности, что дополняет механизм аэродинамического нагрева материалов в потоках сверхскоростных диссоциированных газов. Данный результат должен учитываться при разработке и проектировании скоростных маневрирующих изделий аэрокосмической и ракетной техники ведущими отечественными предприятиями специального назначения. 2. Разработанный слоистый композит, реализующий при эксплуатации чередование режимов разогрева и охлаждения поверхности, может служить основой для создания сверхвысокотемпературных материалов, работоспособных в условиях взаимодействия со скоростными высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащих газов. Данный результат может быть использован ведущими отечественными организациями-разработчиками материалов на основе углерода. 3. Результаты газодинамических испытаний и установленные механизмы работоспособности исследованных оксидных керамик и модельного углерод-керамического композита пополняют банк данных материалов для высокотемпературных применений и расширяют границы исследований процессов, происходящих при взаимодействии материалов со скоростными высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащей плазмы.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Анализ результатов, достигнутых при выполнении проекта, позволяет сформулировать следующие предложения и рекомендации о возможном их практическом использовании в реальном секторе экономики. 1. Селективная абсорбция кислорода в атомарном и ионном виде, поглощение элементарных частиц кристаллической решеткой с образованием точечных и линейных дефектов приводят к дополнительному разогреву поверхности, что дополняет механизм аэродинамического нагрева материалов в потоках сверхскоростных диссоциированных газов. Данный результат должен учитываться при разработке и проектировании скоростных маневрирующих изделий аэрокосмической и ракетной техники ведущими отечественными предприятиями специального назначения, например, АО ВПК «НПО Машиностроения» (г. Реутов), АО ТМКБ «Союз» (г. Лыткарино), АО ГосМКБ «Радуга» им. А.Я. Березняка (г. Дубна), ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» (г. Москва), АО «Корпорация «Московский институт теплотехники» (г. Москва) и др. 2. Разработанный слоистый УККМ, реализующий при эксплуатации чередование режимов разогрева (при окислении и взаимодействии с атомарным потоком кислорода) и охлаждения (при абляции) поверхности, может служить основой для создания сверхвысокотемпературных материалов, работоспособных в условиях взаимодействия со скоростными высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащих газов. Данный результат может быть использован ведущими отечественными организациями-разработчиками материалов на основе углерода, например, АО «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения» (г. Хотьково), АО «Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита» (г. Москва), АО «Композит» (г. Королев), АО «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов» (г. Пермь) и др. 3. Результаты газодинамических испытаний и установленные механизмы работоспособности исследованных оксидных керамик и модельного УККМ пополняют банк данных материалов для высокотемпературных применений и расширяют границы исследований процессов, происходящих при взаимодействии материалов со скоростными высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащей плазмы.