Ученые СПбГУ разработали математическую модель, позволяющую оптимизировать проектирование теплозащиты космических аппаратов

В неравновесном течении газовой смеси микроскопические процессы, связанные с взаимодействиями молекул (перераспределение внутренней энергии, химические реакции, ионизация), происходят в том же масштабе времени, что и изменения гидродинамических параметров (скорости, давления, температуры). Это происходит при высоких скоростях и температурах газа. Ученые во всем мире изучают эти процессы.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physics of Fluids.

Еще более интересные явления происходят при взаимодействии неравновесного разреженного газа с поверхностью твердого тела. Когда газ находится вблизи поверхности, скорость и температура могут сильно отличаться от значений в объеме газа из‑за низкой плотности. Это называется «эффектом скольжения» и отражает физическое взаимодействие газа с твердой поверхностью. Поверхность тела также может действовать как катализатор, влияя на энергетические состояния частиц и протекающие химические реакции. Эти воздействия существенно влияют на состав смеси и передачу тепла и массы.

В рамках нашего исследования была разработана математическая модель, учитывающая неравновесные процессы в газе и на поверхности: адсорбцию/десорбцию, возбуждение и дезактивацию колебательных степеней свободы, гетерогенные химические реакции.

Заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ Елена Кустова

«Это позволило детально описать динамику и кинетику разреженного неравновесного газа вблизи поверхности твердых тел. Главной особенностью полученных граничных условий является способность корректно интерпретировать эффекты физического взаимодействия газа с поверхностью тела и учитывать влияние межфазных гетерогенных химических реакций», — рассказала заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ Елена Кустова.

Учет данных эффектов чрезвычайно важен в ряде практических задач. Например, связанных с входом спускаемых космических аппаратов в атмосферы планет, исследованием сверхзвуковых потоков в соплах наземных аэродинамических установок и ракетных двигателей, анализом газовых потоков в микроканалах, используемых в микроэлектронике и вакуумных установках. Модель может быть использована для проектирования тепловой защиты космических аппаратов. В частности, уменьшение слоя тепловой защиты спускаемого аппарата открывает перспективы для увеличения его полезной нагрузки.

Санкт‑Петербургский государственный университет — первый университет России был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — научный, образовательный и культурный центр мирового уровня. В 2024 году Санкт‑Петербургский университет отметит свой 300‑летний юбилей.

План мероприятий в рамках празднования юбилея Университета был утвержден на заседании оргкомитета по празднованию 300‑летия СПбГУ, который провел заместитель председателя Правительства РФ Дмитрий Чернышенко. Среди таких мероприятий — присвоение малой планете имени в честь СПбГУ, выпуск банковских карт со специальным дизайном, создание почтовых марок, посвященных истории первого университета России, брендирование самолета авиакомпании «Россия» и многое другое. Кроме того, Университет запустил сайт, посвященный предстоящему празднику, с информацией о выдающихся универсантах, научных достижениях и подробностях подготовки к юбилею.

Модель была протестирована на примере исследования течения газа вблизи спускаемого аппарата с поверхностью из диоксида кремния в атмосфере Земли. Результаты показали, что влияние разреженности является более важным для предсказания свойств течения по сравнению с влиянием химических реакций на низкоактивной поверхности. Тепловой поток у стенки аппарата, рассчитанный по новой модели, на высоте 85 км оказался примерно на 25 % ниже, чем при использовании стандартных граничных условий.

Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда «Экспериментальное и теоретическое исследование сверхзвуковых течений газов с плазменными образованиями».