ИСТИНА

До настоящего времени достоверность предсказания нагрева поверхности космических аппаратов в условиях неравновесного тепломассообмена остается весьма низкой. Проект посвящен комплексному исследованию радиационных и физико-химических процессов, происходящих за фронтом ударной волны на основе применения современных экспериментальных методов исследования, а также численных методов описания рассматриваемых процессов. Основным методом получения экспериментальных данных в настоящем проекте является исследование излучения ударно нагретого газа. Для этих целей будет использован экспериментальный комплекс "Ударная труба" НИИ механики МГУ. В ходе реализации проекта планируется существенно расширить имеющиеся в литературе экспериментальные данные по излучению атмосферных газов в различных спектральных диапазонах и широком диапазоне начальных давлений и скоростей ударных волн. Численное моделирование будет осуществляться на основе метода прямого статистического моделирования Монте-Карло, а также метода прямого численного решения системы кинетических уравнений Больцмана. Полученные в ходе реализации проекта данные могут быть использованы для прогностических расчетов термостойкости летательных аппаратов при полете в условиях неравновесного тепло- и массообмена.

The modern literature notes the more detail studies of the processes occurring near the surface of the aircraft at the entrance to the atmosphere of planets is needed because the reliability of the prediction of the spacecraft surface heating in conditions of nonequilibrium heat and mass transfer remains to this day very low. This project is devoted to a complex study of radiation and physico-chemical processes occurring behind the shock wave front on the base of application of modern experimental and numerical methods. The radiation observation of a shock-heated gas is main experimental method in this project. The modern experimental setup “Impact Pipe” of Institute of Mechanic Moscow State University will be used for these purposes. The significant expansion of existing experimental data on the emission of atmospheric gases in wide spectral ranges and a wide ranges of initial pressures and velocities of shock waves is planed during project realization. The Monte Carlo direct statistical simulation method and method of direct numerical solution of the Boltzmann kinetic equations system will be used in project. The project data can be used for predictive calculations of the spacecraft thermal protection during flight in conditions of non-equilibrium heat and mass transfer

Радиационные характеристики газов за фронтом сильных ударных волн исследуются уже несколько десятилетий. Это связано в первую очередь с проблемами теплозащиты космических аппаратов, входящих со скоростью 6 - 12 км/с в атмосферы планет или возвращающимися на Землю. Расчёт радиационного нагрева поверхности сверхорбитальных спускаемых космических аппаратов и радиационных потоков, направленных навстречу набегающего потока должен осуществляться с учетом влияние атомных линий. В ходе выполнения проекта планируется осуществить исследование излучения атомарных и молекулярных газов за фронтом сильной ударной волны в широком диапазоне начальных давлений и скоростей ударной волны. Будут представлены временные осциллограммы излучения отдельных атомарных линий и панорамные спектры, измеренные в абсолютных единицах. На основе полученных экспериментальных данных будет даны рекомендации по константам скоростей химических реакций при расчете интенсивности излучения в атомарных и молекулярных линиях за фронтом ударной волны при температурах до 50000К, а также предложены подходы для расчета интенсивности излучения высокотемпературных газов с использованием различных уровневых моделей атома.

В проведенных ранее экспериментах, выполнявшихся на ударных трубах получены предварительные данные об излучении чистого аргона и его смесей с кислородом, азотом и воздухом за фронтом ударных волн в диапазоне скоростей 4.5 – 9.0 км/с и давлении газа перед фронтом 0.25 - 5 Тор. Существенной особенностью является значительная длительность и интенсивность излучения аргона и его смесей с кислородом, азотом, воздухом по сравнению с излучением чистых молекулярных газов при тех же начальных условиях. В то же время излучение неразбавленных молекулярных газов за фронтом ударной волны в указанном диапазоне начальных условий преимущественно не превышает 1 мкс, излучение тех же газов в смесях с аргоном, как и самого аргона, в зависимости от условий эксперимента остается значительным в течение 5 - 30 мкс. Экспериментально показано, что длительность излучения ударной волны увеличивается с увеличением начального давления. На примере чистого аргона предложен подход кмоделированию кинетики заселения возбужденных электронных уровней аргона, излучение которых наблюдается в экспериментах, обсуждались авторами ранее. При рассмотрении использовался упрощенный набор реакций, не учитывающий ни тонкой структуры возбужденных уровней аргона, ни процессы многократной ионизации. Аргон моделируется как атом, имеющий четыре энергетических уровня: основной (невозбужденный) уровень; возбужденный 4р, с которого наблюдается излучение в ультрафиолетовой и видимой областях спектра; возбужденный уровень 4s, на который переходит аргон в процессе излучения, и ион аргона – Ar+. Процесс «тушения» возбужденного состояния осуществляется как в результате столкновений, так и в результате спонтанного высвечивания. Полученные данные об абсолютных интенсивностях излучения атомарных линий за фронтом ударных волн при скоростях до 9 км/с и предварительные результаты моделирования этого процесса являются основой для создания на следующем этапе достаточно адекватной модели излучения газов за сильными ударными волнами.