Физико-химические процессы за фронтом сильных ударных волн в смесях CO2-N2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

!1а правах рукописи УДК 533 С 011 Ь

АНОХИН ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЗА ФРОНТОМ СИЛЬНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН В СМЕСЯХ СОг-Г^

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре молекулярной физики Московского физико-технического института(государственного университета).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Андрей Юрьевич Стариковский Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, Сергей Тимофеевич Суржиков доктор физико-математических наук, зав. лаб., Александр Викторович Еремин. Ведущая организация: Институт проблем механики МГУ им. Ломоносова.

Зашита состоится 22 декабря 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К 212.156.03 в Московском физико-техническом институте по адресу: 141700 г. Долгопрудный, Институтский пер. д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан "_" ноября 2005 г.

Ученый секретарь

■В.Е. Брагин.

i l40?l

Tffi?

1 Общая, характеристика работы 1.1 Актуальность темы

О последнее время снова наблюдается рост интереса мировой общественности к развитию космических программ. Пилотируемый попет на Марс в рамках программы "Аврора'запланировая на 2025-2030 г.г. История создания космических аппаратов показала, что одной из важных проблем проектирования космического аппарата является разработка и тестирование его тепловой защиты при спуске аппарата на поверхность Земли. Такие исследования широко велись в XX веке при проектировании космических кораблей многоразового использования (Space Shuttle в США, "Буран* в СССР) и разработке баллистических ракет. Множество фундаментальных и прикладных работ было посвящено решению задачи создания эффективной теплозащиты. Успешно летающие космические корабли многоразового использования позволяют утверждать, что проблема тепловой защиты для космического аппарата, входящего в атмосферу Земли с орбитальной скоростью (6-7 км/с), успешно решена. Однако тепловой поток на спускаемый аппарат сильно зависит от химического состава атмосферы, поэтому для исследования планет солнечной системы необходимо иметь представление о процессах, которые протекают в ударном слое, образующемся перед входящим в верхние слои атмосферы космическим аппаратом. Более того, при возвращении таких космических аппаратов на Землю их скорость составит уже не 6 - 7 км/с, как при орбитальных полетах, а 10 - 15 км/с, выводя нас в новую область параметров гиперзвуковой аэродинамики. Подобные обстоятельства ставят перед нами с новой актуальностью задачу создания эффективной тепловой защиты космического корабля в отличных от земной атмосферы условиях и новом диапазоне скоростей. Создание эффективной тепловой защиты позволит эффективно использовать аэродинамическое торможение в атмосфере планеты, что будет способствовать экономии топлива, а, значит, увеличению массы полезного груза космического аппарата.

В ударных слоях, возникающих при движении гиперзвуковых космических аппаратов в атмосфере, происходит новый для классической газовой динамики процесс переноса энергии излучением, который может существенно повлиять на нагрев аппарата и на параметры газа в ударном слое. Поглощение и излучение квантов света в газе происходит при изменении энергетического состояния частиц газа. Вид переходов, а следовательно, энергия и частота квантов зависят от состава газовой смеси, его температуры и давления. Поэтому знаний, накопленных по переносу тепла излучением в воздушной атмосфере, не хватает для адекватных

оценок радиационного потока в атмосферах других планет.

Марсианская атмосфера состоит из 1-1.5% Аг, 2 5-3% N2, оставшаяся часть атмосферы приходится на СОг. Значит, основными компонентами в ударном слое будут С, СО, Сз и СМ, которые, как известно, обладают сильно излучающими состояниями. Также известно, что в земной атмосфере при скоростях около 10 км/с большую роль играет излучение из неравновесной зоны. В случае марсианской атмосферы неизвестно соотношение излучения из равновесной и неравновесных зон при различных скоростях полета, поэтому было бы интересно узнать размер неравновесной зоны и ее роль в переносе тепла излучением.

При высоких скоростях полета в разреженной атмосферы большую роль играют процессы, протекающие при небольцмановском распределении молекул по внутренним степеням свободы. Описание таких процессов возможно с использованием метода поуровневой кинетики. С его помощью можно достаточно успешно моделировать кинетику малых молекул с использованием управляющих уравнений, характеризующих релаксацию каждого отдельно взятого уровня энергии Развитие компьютерной техники в последние годы позволило реализовать описанный метод на обычном персональном компьютере.

Неравновесные процессы играют большую роль не только за фронтом ударной волны, но и в других областях науки и техники. Например, такая быстро развивающаяся область как "плазменно-стимулированное горение" базируется на создании неравновескости в зоне горения, что позволяет работать в прежде недоступных режимах, как по скоростям потоков, так и по стехиомстрическому соотношению горючего и окислителя. Развитие подхода поуровневой кинетики позволит более глубоко понять процессы, протекающие в термически неравновесных условиях.

В настоящей работе проведены измерения радиационного потока за фронтом ударной волны в смесях, содержащих С02, N2, Аг, СО и предпринята попытка описать физико-химические процессы за фронтом сильных ударных волн в приближении поуровневой кинетики для Марсианской атмосферы. Проведено сравнение расчсл иого радиационного потока за фронтом ударной волны с экспериментальным.

1.2 Цель работы

1. Проведение экспериментальных исследований излучения за фронтом ударной волны в смесях, содержащих СО2, N2, Аг и СО в спектральных областях вакуумного ультрафиолета, ультрафиолета, видимого диапазона и ближнего инфракрасного диапазона для определения молекулярных полос излучения, вносящих основной вклад

в радиационный теплоперенос за фронтом ударной волны.

2. Определение мощности излучения в смесях, моделирующих марсианскую атмосферу, в диапазоне скоростей 4.5-7 км/с.

3. Создание кинетической схемы процессов за фронтом сильной ударной волны в смесях, содержащих СОг, N5, Аг и СО с использованием подхода поуровневой кинетики.

1.3 Научная новизна работы

1. Проведены эксперименты по диагностике излучения за фронтом ударной волны в смесях, содержащих СОа, N5, Аг и СО при одновременной регистрации излучения в широком спектральном диапазоне от ВУФ до ближнего ИК.

2 Измерена мощность излучения в ударном слое при скоростях ударной волны до 7 км/с.

3. Разработана поуровневая кинетическая схема процессов за фронтом сильных ударных волн в смесях, моделирующих марсианскую атмосферу Для формирования управляющих уравнений Паули применялись известные на сегодняшний день модели колебательного и колебательно-поступательного энергообмена и модели, описывающие распределение по колебательным степеням свободы реагентов и продуктов реакции

1.4 Научная и практическая ценность

1. Получены данные, характеризующие радиационный тепловой поток за фронтом ударной волны в смесях, близких по составу марсианской атмосфере.

2 Изучена роль области вакуумного ультрафиолета в процессах радиационного теплопереноса в смссях, содержащих СО2, N2. Аг, СО.

3. Создана кинетическая схема процессов, протекающих за фронтом сильной ударной волны в смесях СОг-^, позволяющая описывать процессы в небольцмановском режиме заселенности молекул по Внутренним степеням свободы

Л

1.5 Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих общероссийских и международных конференциях: XLV научная конференция МФТИ. Долгопрудный, 2002; IV Российский семинар Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Москва, 2003; XVIII Международная конференция "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество". Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия, 2003; XLVI научная конференция МФТИ. Долгопрудный, 2003; XXVIII Академические чтения по космонавтике. Москва, 2004; XIX Международная конференция "Уравнения состояния вещества" Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия, 2004; 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada, USA, 2004; II конференция "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях". Москва, 2004; XLVII научная конференция МФТИ. Долгопрудный, 2004; 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit Reno, Nevada, USA, 2005, XX Международная конференция "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество". Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия, 2005; XIII Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, Россия, 2005; 6th Interna-tional workshop on rriagnetoplasma aerodynamics Moscow, Russia, 2005; 13th International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Capua, Italy, 2005; First annual European Conference for Aero-space Sciences. Moscow, Russia, 2005.

1.6 Публикации

Результаты проведенных исследований отражены в 12 печатных работах, опубликованных в России и за рубежом.

1.7 Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения и трех глав основного содержания, включая описание экспериментальной установки, описание кинетической схемы и сравнение расчетных и экспериментальных данных, а также заключения и выводов

Общий объем диссертации -_страниц, в том числе_рисунков

и_таблиц. Список литературы содержит_наименований.

2 Содержание диссертации

2.1 Введение

Do введении (первая глава) обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи диссертационной работы и изложено ее краткое содержание. Описано состояние дел в области исследования излучения высокотемпературных COrNj-Ar смесей с помощью ударных волн и разряда, а также основные подходы к моделированию высокотемпературных физико-химических процессов.

2.2 Вторая глава

Используемая экспериментальная установка представляла собой ударную трубу из нержавеющей стали круглого сечения с внутренним диаметром 77 мм. Длина камеры низкого давления составляла 5.5 м. Камера низкого давления была соединена через диафрагму с расширительным объемом, используемым для предотвращения появления отраженной ударной волны в эксперименте. Типичные давления исследуемого газа в камере низкого давления составляли несколько торр, предварительную откачку трубы обеспечивала вакуумная система, состоящая из двух насосов НВР-5ДМ, производительностью 5 л/мин каждый и тур-бомолекулярного насоса ТМН-150, производительностью 150 л/мин. Система позволяла откачивать камеру низкого давления ударной трубы до давления Ю-4 торр. В диапазоне давлений до 10-J торр давление в трубе контролировалось вакуумметром В ИТ-2 совместно с термопарной лампой ПМТ-2, установленной в вакуумный тракт трубы, а при более низких давлениях - магнитным газоразрядным вакуумегром ВМБ-6. Давления в камере высокого давления и расширительном объеме контролировались с помощью деформационных манометров.

Блок-схема экспериментальной установки в общем виде представлена на рис. 1. При проведении экспериментов камера низкого давления наполнялась исследуемой газовой смесью с помощью пульта КНД, камера высокого давления наполнялась кнелород-волородно-гелиевой смесью с помощью пульта КВД. При сжигании кислород-водородная смесь нагревает гелий до высоких температур, тем самым создавая область газа высокого давления и температуры. Этот газ яЬляется поршнем, кото' рый после разрыва диафрагмы движется по-исследуемому газу, создавая ударную волну. Поджиг газовой смеси производился с помощью свечей зажигания, на которые подавалось напряжение с высоковольтного генератора.

Скорость распространения ударной волны регистрировалась с помощью лазерных шлирен-датчиков, принцип действия которых основан на отклонении лазерного луча в градиенте плотности. Два шлирен-датчика были расположены вдоль ударной трубы на расстоянии 890 мм друг от друга. Основная спектральная диагностика установки состояла из широкополосного вакуумного спектрометра и в|;геак-камеры С5680 фирмы Нашата18и(иа рис ЭОП), соединенной с ЭВМ, вакуумного монохро-матора МсРЬегеоп 234/302УМ и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-181 Для запуска в^еак-камеры использовался сигнал фотоэлектронного умножителя, расположенного перед измерительным сечением(на схеме обозначен как ФЭУ).

Рис. 1: Блок-схема экспериментальной установки.

ФЭУ-181 - фотоэлектронный умножитель с мультищелочным фотокатодом и спектральной чувствительностью от 115 до 800 нм, устанавливался на выход вакуумного монохроматора МсРЬегеоп 234/302 Модель 234/302 имеет фокусное расстояние 0.2 м и рассчитана на проведение измерений в спектральном диапазоне от 50 до 250 нм. В качестве диспергирующего элемента в монохроматоре используется вогнутая го-лографическая решетка. Перед монохроматором, в вакуумном тракте, устанавливалась щель шириной 1 мм, что при скорости ударной волны около 5 км/с и ширине входной щели монохроматора 2 мм позволяло

проводить диагностику излучения с разрешением по времени приблизительно 0 5 мкс.

Бивак-камера представляет собой электронно-оптический преобразователь с высокоскоростным блоком временной развертки

Камера использовалась совместно с широкополосным спектрометром, специально изготовленным в Институте Спектроскопии РАН Спектрометр был изготовлен в расчете на то, что он может работать в широкой спектральной области, в том числе и в области вакуумного ультрафиолета, для чего у него предусмотрено подключение к вакуумной магистрали. Использование решетки с небольшим количеством штрихов на миллиметр позволило на всей длине фотокатода з^еак-камеры (б мм) разместить около 600 нм спектрального диапазона. Это обстоятельство позволяло за один запуск ударной трубы исследовать практически весь видимый и ультрафиолетовый диапазоны, а также значительную часть спектральной области вакуумного ультрафиолета на наличие мощных излучающих спектральных линий. Диагностические окна в ударной трубе были изготовлены из MgF2, что позволяло проводить диагностику излучения от 120 нм

При исследовании разбавленной смеси СОг-.\2-Аг(9.7:0.3'90) также использовалась система диагностики, основанная на спектрометре и 1ССБ камере ЬаЧ^эюп Р1со81аг НЯ12. Камера представляла собой прибор с зарядовой связью с усилителем яркости и позволяла проводить диагностику излучения с короткими временными выдержками. В эксперименте использовались выдержки от 200 до 400 не. С помощью линзы, изготовленной из СаРг, изображение диагностического окна ударной трубы проецировалось на входную щель спектрометра Момент запуска камеры выбирался таким образом, чтобы к окончанию съемки фронт ударной волны находился примерно возле края диагностического окна, поэтому диагностическое окно было максимально заполнено пробкой горячего излучающего газа. В результате эксперимента получался снимок спектрального распределения излучения вдоль диагностического окна, то есть вдоль пробки.

При использовании ФЭУ оптическая система настраивалась на определенную молекулярную полосу, что позволяло получать экспериментальные данные с хорошим пространственным и временным разрешением, а также исследовать слабоизлучающие молекулярные полосы из-за большого коэффициента усиления ФЭУ(10в) Использование в^еак-камеры совместно с широкополосным спектрометром позволяло за один запуск ударной трубы получать спектральное распределение интенсивности излучения в очень широком диапазоне длин волн (120-800 нм), тем самым позволяя определить молекулярные полосы, вносящие основной

вклад в радиационный теплоперенос за фронтон ударной волны. Исследование излучения-в широком диапазоне длин волн (в том числе и в области вакуумного ультрафиолета) накладывало свои ограничения на использование фокусирующей оптики, поэтому при работе не использовалось никакой фокусирующей системы, а необходимое пространственное разрешение выбиралось подбором диафрагмы на выходе диагностического окна ударной трубы. Из-за относительного небольшого коэффициента усиления в1геак-камеры(103) невозможно было выставить малую ширину диафрагмы, так как интенсивности поступающего на фотокатод излучения было недостаточно для устойчивого детектирования сигнала. Поэтому пространственное разрешение диагностической системы со виеак-камерой позволяло лишь анализировать основные спектральные зоны энерговыделения в равновесной области. Для исследования неравновесной зоны излучения использовался ФЭУ-181 совместно с мо-нахроматором МсРЬегеоп 234/302 УМ. Для работы в области вакуумного ультрафиолета объем вдоль всех оптических путей излучения вакууми-ровался, для чего асе спектральные приборы соединялись с диагностическими окнами ударной трубы герметичными снльфонными соединениями.

Такие параметры газа за фронтом ударной волны как температура., давление и скорость потока определялись исходя из законов сохранения массы, импульса и энергии на фронте ударной волны, с использованием уравнения состояния идеального газа.

Абсолютная калибровка оптических систем проводилась с помощью эталонного источника света - вольфрамовой лампы СИРШ 8.5-200-1. Излучение такого источника соответствует излучению серого тела с яркосг-ной температурой - 3000 К. Произведя сравнение расчетного излучения серого тела и экспериментального спектрального распределения вольфрамовой лампы можно получить калибровочную кривую, которая позволяет пересчитывать сигнал, получаемый диагностической системой, в значения мощности падающего на входную щель спектрометра излучения. Калибровка в области вакуумного ультрафиолета проводилась с помощью кривых чувствительности фотоэлектронного умножителя и гол »графической решетки монохроматора.

2.3 Третья глава

Уровиевый способ описания кинетики является практически единственным для физико-химических процессов в термически неравновесных условиях .за фронтом сильной ударной волны. С помощью данного метода можно достаточно успешно моделировать кинетику малых моле-

кул с использованием управляющих уравнений, описывающих релаксацию каждого отдельно взятого уровня энергии. Трехатомные молекулы представляют для такого подхода некоторую трудность, поскольку количество состояний, которые необходимо принимать во внимание, стремительно растет с ростом энергии возбуждения. Тем не менее, именно этот метод наиболее свободен от ограничений и предположений, выполнимость которых априорно не очевидна в большом количестве случаев. Но этой причине в настоящей работе кинетика колебательной релаксации я химически-реагирующих системах и все химические реакции, включающие в себя основные молекулы смеси, описывались в приближении уровневой кинетики.

Большим преимуществом такого подхода является по;(робная информация о динамике распределения молекул по колебательным состояниям, очевидным недостатком - необходимость введения большого числа процессов, зачастую с плохо или совсем неизвестными константами скорости. По этой причине экспериментальные данные о вероятностях отдельных процессов должны с необходимостью дополняться различными сксйлинг-соотношсниями Для колебательной релаксации таким соотношением является модель ББН, хорошо описывающая зависимость скорости релаксации различных уровней энергии ангармонического осциллятора нри известной скорости релаксации нижних уровней

В состав кинетической схемы включены следующие соединения- N2, 02, С2, С02, СО, СМ, N0, О, С, N. Аг, С+, СО", О', N0-, .4^, М*. Аг* Для того, чтобы рассчитать количество излучения в схему были введены основные изл) чающие состояния марсианской атмосферы, которые были определены из эксперимента и литературных данных. Эти состояния включают в себя- СЖА'П), СМР'Е"), Са^'П), СО(А'П), СО(В'Е^). Другие излучающие состояния вносят незначительный вклад в излучение за фронтом ударной волны, что показывают как экспериментальные данные, так и численные расчеты.

Таким образом, рассматриваемая модель описывает процессы с точки зрения уровневой кинетики. Основные компоненты смеси были разбиты на колебательные уровни и все расчеты проводились в предположении поступательно-вращательного равновесия. Количество энергетических уровней каждой молекулы бралось в соответствии с по|>огом диссоциации и уравнением энергетических уровней.

В таблице 1 указано количество учитываемых колебательных уровней для каждой молекулы.

В молекуле СОг рассматривалось независимое возбуждение деформационной, симметричной и антисимметричной мся и обмен между ними. Из-за большого числа возможных возбужденных состояний в молекуле

Таблица 1: Количество колебательных уровней

Молекула Количество уровней Молекула Количество уровней

N2 48 СЫ 41

о2 32 N0 38

С, 36 СО 66

С02(У,) 32 С02(У2) 70

С02(у,) 21

СО] совместное возбуждение колебательных мод не рассматривалось. Также в схеме предполагалось, что заселенность колебательных уровней молекулярных ионов описывается распределением Больцмана.

В определении констант скоростей обратных реакций, а также в определении степени охлаждения исследуемой смеси значительную роль играют такие термодинамические величины как Ср и ДН°. Часть данных по Ср и ДН° бралась из общедоступного варианта термодинамической базы данных "Ивтантермо", часть из |2|. Термодинамические свойства веществ в "Ивтантермо" и |2| приведены до 20000 К.

Так как численное решение управляющих уравнений химической кинетики проводилось с помощью широко распространенного пакета СЬешкш 2.0, то и термодинамические данные представлялись в необходимом данному пакету виде: Ср аппроксимировалась полиномом четвертой степени в диапазоне от 3000 до 20000 К. Энтальпия и энтропия веществ определялась интегрированием полинома Ср.

Константы скорости прямых химических реакций при высокой температуре брались из отечественных и зарубежных обзоров и рекомендаций. В рассмотрение принимались реакции, которые играют существенную роль в физико-химических процессах в атмосфере Марса.

Колебательный энергообмен при столкновении нейтральных частиц играет важную роль при формировании распределения молекул по внутренней энергии, конкурируя с процессами заселения и расселения колебательных состояний электронным ударом, в результате протекания химических реакций и передачи энергии в электронные степени свободы.

К сожалению, теоретические модели колебательной релаксации в большинстве случаев дают лишь оценку для константы скорости. В некоторых случаях расхождение между рассчитанным и экспериментально измеренным значением может достигать порядка величины. Поэтому для надежного моделирования предпочтительнее использовать экспериментальные данные по скоростям энергообмена на нижних уровнях.

Колебательная релаксация верхних колебательных уровней рассчи-

Рис. 2: Итерационный процесс функции распределения молекул N2

тывалась с помощью обобщенной теории Шварца-Славского-Герцфельда (ЭЭН), описанной, например, в |1].

Построенный механизм колебательных энергообменов позволяет рассчитать функцию распределения молекул по колебательным состояниям. Для описания химической кинетики в неравновесных условиях необходимо также знать зависимость константы скорости реакции от колебательного возбуждения реагентов и продуктов Для этого использовался подход, развитый и подробно описанный в |3|.

Известно, что при высоких температурах диссоциация протекает при незавершенной колебательной релаксации, таким образом распределение молекул по колебательным степеням свободы может отличаться от больцмановского распределения. В связи с этим возникает вопрос о виде функции распределения молекул по колебательным степеням свободы. Проведенные расчеты для диссоциации молекул азота показали, что при 10000 К, в зоне диссоциации наблюдается следующая картина заселенности колебательных уровней: значительно недозаселекы верхние колебательные уровни молекулы, с которых и происходит основная диссоциация. Данная реакция важна как в воздушной так и в марсианской атмосфере, так как распад молекулярного азота является единственным источником наработки атомарного азота, который в марсианской атмосфере связывается с атомарным углеродом, образуя радикал СИ, являющийся мощным источником излучения.

Для реакций диссоциации N3 был проведен итерационный процесс

по нормированию на функции распределения молекул по колебательным степеням свободы в зоне активной диссоциации. Результаты такого процесса приведены на рис. 2. Поскольку заселенность нижних колебательных уровней подчиняется распределению Больцмана, то па данном рисунке приводится только высокоэнергетическая "игбольцмановскяя" часть. Из рис. 2 видно, что пятая итерация уже мало отличается от четвертой, поэтому на пятой итерации итерационный процесс был окончен Видно, что окончательное распределение верхних колебательных уровней ("пятая итерация" на графике) отличается на два порядка величины от первоначального распределения ("нулевая итерация" на графике), ■гго существенным образом сказывается как на значениях поуровневых констант диссоциации, так и на их температурной зависимости.

Для бимолекулярных реакций измерения констант скоростей проводятся в сильно разбавленных смесях, поэтому можно считать, что в процессе реакции поддерживается больцмановское распределение молекул по колебательным уровням. Для ряда реакций, протекающих в воздушной атмосфере, был проведен расчет поуровневых констант методом квазиклассических траекторий. Для реакции N2(1/) - О —> N0(4/) + N результаты такого расчета проведены в |4|. Сравнение номера колебательного уровня N0, соответствующего максимальной скорости протекания реакции N1(1)) — О —• N0(1») + N. в зависимости от начального возбуждения N2 для расчета по методу классических траекторий и по модифицированному методу вибронных термов приведено на рис. 3 Из рисунка видно хорошее совпадение результатов во всем диапазоне начального возбуждения N2.

2.4 Четвертая глава

Эксперименты проводились при различных начальных условиях (начальное давление, число Маха) и в различных газовых смесях. Проводились эксперименты как в чистых смесях (С0-^(7030), СОг-^(97:3)) так и в смесях, разбавленных аргоном (СО2-Мг-Аг(9.7:0 3:90), СОг-Мг-Аг(48.5:1.5:50)). Данные, полученные с помощью Биеак-камсры, использовались для определения спектральных областей, вносящих наибольший вклад в радиационный тсплоиеренос. Также эти результаты использовались для определения абсолютной интенсивности излучения за фронтом ударной волны в исследуемых смесях. Сигналы с ФЭУ использовались" для исследования временной динамики излучения отдельно взятой молекулярной полосы (фиолетовой системы на длине волны 388 нм, либо четвертой положительной системы СО на длине волны 150 нм).

Нвчиыив м^вукцмя

Рис. 3: Направление максимальной скорости реакции N2(4) + О —» N0(1«)) + N.

Во всех экспериментах излучение имеет неравновесный пик, который может значительно (вплоть до порядка величины) превосходить значение интенсивности в равновесной области ударной волны. Соотношение интенсивиостей неравновесной и равновесной зон отличается для различных смесей, но для всех типов исследованных смесей оно растет с ростом температуры.

Проводилось сравнение интенсивности излучения молекулярных полос фиолетовой системы CN и четвертой положительной системы СО. При относительно низких поступательных температурах за фронтом ударной волны (до 20000 К) преобладающим излучателем в исследуемых смесях является фиолетовая система С^ однако с ростом температуры интенсивность неравновесной зоны четвертой положительной системы растет относительно интенсивности неравновесной зоны фиолетовой системы СИ и при высоких температурах за фронтом ударной волны становится доминирующей.

Приведены абсолютные значения интенсивности излучения в широком спектральном диапазоне за фронтом ударной волны для различных смесей:СО-^(70:30), СОг^(97:3), С02^2-Аг(9.7:0.3:90), СОг^-Аг(48.5:1.5:50). Типичные результаты эксперимента приведены на рис.4. Для этого же эксперимента приведен также сигнал с фотоэлектронного

Рис. 4- Экспериментальные данные и спектр излучения Смесь СО-N2(70:30), скорость УВ 6.2 км/с, начальное давление - 1.5 торр

Рис. 5. Сигнал с фотоэлектронного умножителя. Смесь С0-Мг(70'30), скорость УВ 6 2 км/с, начальное давление - 1 5 торр, длина волны -388 нм

умножителя ФЭУ-181 (рис.5) Полученный сигнал соответствует излучению фиолетовой системы СЫ на длине волны 388 нм На рисунке хорошо виден неравновесный пик излучения, отношение неравновесного и равновесного пиков излучения приблизительно равно 8

Экспериментальные данные, полученные при использовании в качестве регистрирующей системы 1ССО камеры, представлены на рис б-

Е £ 00 II

3

МО ни \ 1МИМ

Рис. 6: Снимок фронта ударной волны с выдержкой 200 не.

Результаты приведены для смеси С02-Ы2-Аг(9.7:0.3.90), скорости ударной волны 7.5 км/с и начального давления 0.1 торр. Стоит отметить, что на приведенном распределении интенсивности излучения вдоль пробки горячего газа ярко выделяются две области, с разным спектральным распределением. О узкой области фронта ударной волны излучают преимущественно молекулярные состояния смеси, а в области послесвечения - излучающие состояния аргона или его иона. Вышеуказанное обстоятельство подтверждает то, что при высоких температурах основная область радиационного энерговыделения находится в области неравновесного пика излучения.

Проведено сравнение по динамике излучения экспериментальных результатов и данных, полученных при расчете с использованием описанной кинетической схемы. Сравнение проводилось по таким параметрам излучения, как полуширина неравновесного пика, интенсивность равновесной зоны и отношение интенсивностеЯ неравновесной и равновесной зон. Для иллюстрации, на рис. 7 приведено сравнение экспериментальной и расчетной динамики излучения, полученной для смеси СО->!2 при скорости ударной волны 6 км/с и начальном давлении 2 торр Черный

к

Рис. 7; Сравнение расчетного и экспериментального излучения.

график на рисунке - экспериментальное излучение фиолетовой системы СИ, а серый график - расчетное излучение той же системы. Из рисунка видно хорошее совпадение по всем вышеперечисленным параметрам.

3 Основные результаты и выводы

1. Проведены эксперименты по изучению излучения за фронтом ударной волны в смесях С0-Ы3(70:30), СОг^(97:3), СО*-^-Аг(9.7:0.3:90), С0^1-Аг(48.5:1.5:50) при скорости ударной волны от 4 до 8 км/с и начальных давлениях смеси 0.5-10 торр. Показано, что интенсивность излучения в области вакуумного ультрафиолета (излучение четвертой положительной системы СО) растет с ростом температуры и становится доминирующей в смесях с сильным разбавлением и высокой поступательной температурой.

2. Показано наличие неравновесного пика излучения в диапазоне скоростей ударной волны 4-8 км/с во всех исследуемых смесях. Интенсивность неравновесного пика излучения растет с увеличением температуры и может превышать интенсивность излучения из равновесной зоны на порядок величины.

3. Построена поуровневая модель описания физико-химических процессов за фронтом ударной волны в смесях СОгМгАг с использо-

ванием обобщенной модели SSH, описывающей процессы VT и VV релаксации и модифицированной модели виброиных термов, которая позволяет определять поуровневые константы скорости химических реакций из равновесных констант скорости с учетом распределения продуктов и реагентов по колебательной энергии. Получено хорошее совпадение экспериментальных данных по интенсивности излучения с расчетами, проделанными по разработанной кинетической схеме.

Список литературы

|1| Физико-химические процессы в газовой динамике. Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. T.l М: Издательство Московского Университета, 1995.

|2| Термодинамические свойства индивидуальных веществ Справочное издание в четырех томах Издание третье, переработанное и расширенное. Под редакцией В.П. Глушко. М.Наука,1978-1982 гг.

|3| А.Ю. Стариковский Уровневые константы скорости химических реакций по модели вибронкых термов.//Эл. журнал "Физико-химическая кинетика в газовой динамике" 2003 Т 1.

|4| С.А. Лосев, Э.А. Ковач, М.Ю. Погосбекян, А.Л. Сергиевская. Моделирование физико-химических процессов в сильных ударных волнах //Эл. журнал "Физико-химическая кинетика в газовой динамике" 2003. Т. 1.

4 Публикации

Результаты работы представлены в следующих основных публикациях.

1. Е.М. Анохин, А.Ю. Стариковский Экспериментальное исследование неравновесного излучения и физико-химических процессов в сильных ударных волках. XLV научная конференция МФТИ, 2002 С. 58.

2. Е.М. Анохин, А.Ю. Стариковский. Спектрально- и пространственно- разрешенная диагностика плазмы сильных ударных волн с помощью пикосекундной ICCD-камеры LaVision PicoStar HR-12. IV Российский семинар Современные средства

диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Москва 2003. С. 4-6.

3. Е.М. Анохин Экспериментальное исследование излучения CO2-N2-Аг смеси за фронтом сильных ударных волн. XLVI научная конференция МФТИ. Долгопрудный, 2003. С.78-79

4. Е.М. Анохин, А.Ю. Стариковский. Неравновесные процессы в сильных ударных волнах в системе COrN2- XIX Международная конференция "Уравнения состояния вещества", Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия,2004. С. 80.

5. Е.М. Anokhin, S.M. Starikovskaia, A.Yu. Starikovskii. Energy transfer in liypersonic plasma flow and flow structure control by low température nonequilibrium plasma. AIAA paper 04-0674, 2004. P. 5

6 Е.М. Анохин, А.Ю. Стариковский. Излучение смеси СОг-Nj-Ar в ударной волне. II конференция 'фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", Москва, 2004. С. 70-71

7. ТЮ. Иванова, Е.М Анохин Диагностика излучения за фронтом ударной волны с помощью электронно-оптической камеры С-5680 фирмы Hamamatsu. XLVII научная конференция МФТИ Долгопрудный, 2004.С. 109.

8 ЕМ. Анохин Моделирование физико-химических процессов в ударном слое в смеси COj-Ni-Ar. XLVII научная конференция МФТИ. Долгопрудный, 2004. С. 109

9. Е.М. Anohin, T.Yu. Ivanova, N.N. Koudryavtsev, A.Yu. Starikovskii Nonequilibrium radiation investigation behind the strong shock waves in CCb'Nj-.Ar mixtures. AIAA paper 05-0792, 2005. P. 6

10. Анохин E.M., Иванова Т.Ю., Кудрявцев H.H., Стариковский А.Ю Диагностика излучения за фронтом ударных волн в смесях Ar:C02:N2. XX Международная конференция "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия, 2005. С. 98.

11. Е.М. Анохин, Т.Ю. Иванова, А.Ю. Стариковский Неравновесное излучение за сильными ударными волнами в смесях Ar:C02:N2 XIII Симпозиум по горению и взрыву, 2005, г. Черноголовка, Россия

" С. 167.

12. E.M. Anohin, T.Yu. Ivanova, N N. Koudryavtsev, A Yu Starikovskii Radiative heat transfer m COj-N2 mixtures. 6th International workshop on Hiagnetoplasina aerodynamics, Moscow, Russia, 2005 P. 660-664.

Анохин Евгений Михайлович

Физико-химические процессы за фронтом сильных ударных волн в смесях СОг -N2

Подписано в печать 17.11.2005. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ л. 1,0. Уч.-изд л. 1,0. Тираж 60 экз Заказ №ф-532.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский физико-технический институт (государственный университет) Отдел автоматизированных издательских систем «ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ» 141700, Московская обл., г.Долгопрудный, Институтский пер., 9

324 2 9«

РНБ Русский фонд

2006-4 26737

Оглавление

1 ВВЕДЕНИЕ

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Ударная труба.

2.2 Экспериментальная установка.

2.3 Измерение скорости ударной волны.

2.4 Определение параметров газа за ударной волной.

2.5 Регистрация собственного излучения газа.

2.5.1 Регистрация собственного излучения с помощью фото-электронного умножителя

2.5.2 Регистрация собственного излучения с помощью стрик-камеры.

2.5.3 Регистрация излучения ICCD камерой LaVision PicoStar HR12.

2.6 Абсолютная калибровка оптических систем.

3 КИНЕТИЧЕСКАЯ СХЕМА

3.1 Состав кинетической схемы.

3.2 Термодинамика веществ.

3.3 Уравнения химических реакций.

3.3.1 Реакции диссоциации.

3.3.2 Реакции ионизации.

3.3.3 Реакции переноса заряда.

3.3.4 Обменные реакции

3.3.5 Реакции электронного возбуждения.

3.3.6 Излучение.

3.3.7 Реакции диссоциативного тушения.

3.4 Колебательный энергообмен при столкновении нейтральных частиц

3.4.1 Процессы колебательного энергообмена в системе C-N-0.

3.5 Расчет микроконстант скоростей химических реакций и функции распределения продуктов по колебательным состояниям в неравновесных условиях

3.5.1 Поуровиевая кинетика реакций.

3.5.2 Изменение порога реакции и вероятности перехода при возбуждении реагентов

3.5.3 Оценка величины энергетического барьера реакции.

3.5.4 Оценка вероятности перехода для выделенных уровней.

3.6 Расчет уровневых констант диссоциации.

ОГЛАВЛЕНИЕ

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И СРАВНЕНИЕ С РАСЧЕТОМ

4.1 Переход к лабораторной системе коордииат.

4.2 Смесь CO-N2 70

4.3 Смесь C02-N2-Ar 9.7-0.3-90.

4.4 Смесь C02-N2-Ar 48.5-1.5

4.5 Смесь C02-N2 97

В последнее время снова наблюдается рост интереса мировой общественности к развитию космических программ. Американское космическое агентство (NASA) в рамках своей программы по исследованию Марса (Mars Exploration Program) запустило два марсохода 10 июня и 7 июля 2003 г., совершивших успешную посадку на Марс 3 и 24 января 2004 г. соответственно. Европейское космическое агентство (ESA) разрабатывает собственную программу исследований солнечной системы "Аврора"(Aurora program). В целях продолжения изучения Марса в нее входят запуск марсохода на поверхность планеты и запуск возвращаемого модуля, который попытается доставить на Землю образцы марсианской породы. В предварительные испытания входят выведение небольшого летательного аппарата на эллиптическую земную орбиту для эмуляции возвращения космического аппарата с Марса на больших скоростях, а также запуск на Марс небольшого космического корабля, который должен проверить возможность аэродинамического торможения в атмосфере Марса. Пилотируемый полет на Марс в рамках программы "Аврора" запланирован на 2025-2030 г.г. (при условии, что все предыдущие миссии окажутся успешными). История создания космических аппаратов показала, что одной из важных проблем проектирования космического аппарата является разработка и тестирование его тепловой защиты при спуске аппарата на поверхность Земли. Такие исследования широко велись в XX веке при проектировании космических кораблей многоразового использования (Space Shuttle в США, 11 Буран "в СССР) и разработке баллистических ракет. Множество фундаментальных и прикладных работ было посвящено решению данной задачи. Успешно летающие космические корабли многоразового использования позволяют утверждать, что проблема тепловой защиты для космического аппарата, входящего в атмосферу Земли с орбитальной скоростью (6 - 7 км/с), успешно решена. Однако для исследования планет солнечной системы необходимо иметь данные о процессах, протекающих в атмосферах других планет, так как параметры процессов в ударном слое, образующемся перед входящим в верхние слои атмосферы космическим аппаратом, в химических смесях различного состава могут сильно отличаться от тех, которые характерны для земных условий. Более того, при возвращении таких космических аппаратов на Землю их скорость составит уже не б - 7 км/с, как при орбитальных полетах, а 10 - 15 км/с, выводя нас в новую область параметров гиперзвуковой аэродинамики. Подобные обстоятельства ставят перед нами с новой актуальностью задачу создания эффективной тепловой защиты космического корабля в отличных от земной атмосферы условиях и новом диапазоне скоростей. В ударных слоях, возникающих при движении гиперзвуковых космических аппаратов в атмосфере, происходит новый для классической газовой динамики процесс переноса энергии излучением, который может существенно повлиять на нагрев аппарата и на параметры газа в ударном слое. Поглощение и излучение квантов света в газе происходит при изменении энергетического состояния частиц газа. Вид переходов, а следовательно, энергия и частота квантов зависят от природы газа, его температуры и давления. Поэтому знаний, накопленных по переносу тепла излучением в воздушной атмосфере, не хватает для адекватных оценок радиационного потока в атмосферах других планет.

Что касается Марса, то вторая космическая скорость для него составляет 5 км/с и полет к нему от Земли по траектории наименьшей энергии приводит ко входу в атмосферу Марса со скоростью примерно 6 км/с. Такой полет занимает примерно один год в одну сторону, что не очень удобно для пилотируемого полета. Возможен более быстрый полет при использовании более энергоемкой траектории, однако это приведет к более скоростному входу в верхние слои атмосферы. Поиск компромисса между скоростью входа в атмосферу и длительностью путешествия приводит на сегодняшний день к 5-8 месяцам пути в одну сторону и скорости входа в атмосферу 7-9 км/с. Использование аэродинамического торможения позволяет существенно снизить начальную массу корабля для полетов такого типа.

Марсианская атмосфера состоит из 1-1.5% Аг, 2.5-3% N2, оставшаяся часть атмосферы приходится на СО2. Значит основными компонентами в ударном слое будут С, СО, С2 и CN, которые, как известно, обладают сильно излучающими состояниями. Так же известно, что в земной атмосфере при скоростях около 10 км/с большую роль играет излучение из неравновесной зоны. В случае марсианской атмосферы неизвестно соотношение излучения из равновесной и неравновесных зон при различных скоростях полета, поэтому было бы интересно узнать размер неравновесной зоны и ее роль в переносе тепла излучением.

На сегодняшний день ряд отечественных и зарубежных исследовательских коллективов вовлечен в решение данной проблемы. Как уже было сказано, спектральный состав излучения слоя, нагретого ударной волной, напрямую зависит от состава газа, в котором движется летательный аппарат, а также от тех физико-химических процессов, которые протекают в ударном слое, непосредственно перед термозащитной поверхностью аппарата. Поэтому наряду с небольшим количеством экспериментальных работ существует множество расчетов, которые, опираясь на имеющиеся экспериментальные данные, пытаются предсказывать спектральный состав и интенсивность излучения газа за фронтом ударной волны. Из работ, непосредственно посвященных исследованию излучения атмосферы Марса, стоит отметить работу С.А. Лосева и др. [1], в которой рассматривается излучение за фронтом ударной волны в смесях C02-N2-Ar в диапазоне скоростей 3-4 км/с. Эксперименты проводились в двух типах смесей: 1 - C02-N2-Ar = 0.096:0.003:0.901, 2 - C02-N2-Ar = 0.048:0.0015:0.9595 на однодиафрагменной ударной трубе. Были проведены три серии экспериментов: первая - в смеси 1 для начального давления Р1=1 торр и средней скорости ударной волны Vs=3.45 км/с; вторая - в смеси 1 для начального давления Р1=5 торр и средней скорости ударной волны Vs=2.94 км/с; третья - в смеси 2 для начального давления Р1=0.5 торр и средней скорости ударной волны Vs=3.75 км/с. В работе были получены экспериментальные спектры излучения за фронтом ударной волны в диапазоне 350 - 850 нм. Диагностика велась с помощью видиконовой камеры в широком диапазоне длин волн в режиме интегрирования сигнала и проводилось измерение интенсивности излучения на длинах волн 387, 650 и 470 нм с помощью ФЭУ. Перечисленные линии соответствуют фиолетовой системе CN, красной системе CN и полосе Свана молекулы С2 соответственно. Также измерялась интенсивность излучения атомов кислорода (777.19, 777.42 и 777.54 нм). В работе отмечается, что основными излучающими молекулярными полосами являлись фиолетовая и красная системы CN и полоса Свана молекулы С2. На всех экспериментальных спектрах присутствовали атомарные линии кислорода и углерода. Работа [1] наиболее близка к теме данных исследований. Однако вышеописанные эксперименты, в силу конструктивных особенностей установки, проводились в достаточно узком диапазоне скоростей ударной волны. Используемый интегральный тип диагностики не позволяет проследить динамику изменения интенсивности излучения, за исключением нескольких длин волн, для диагностики которых использовались ФЭУ. Также интересен факт наличия или отсутствия излучения четвертой положительной системы СО, излучение которой лежит в области вакуумного ультрафиолета, на этот вопрос работа С.А.Лосева и его коллег также не дает ответа.

Под руководством Г.Г. Черного и С.А. Лосева была выполнена работа [2], в которой один из разделов был посвящен экспериментальному исследованию излучения, однако экспериментальные результаты, приводимые в отчете, в основном те же, что и в работе [1]. Отдельная часть работы посвящена экспериментальным данным, которые получены на электроразрядной ударной трубе в ЦАГИ, к сожалению отсутствует детальное описание экспериментальной установки и используемой диагностики, что не позволяет сделать адекватные выводы о результатах по этому разделу. Стоит, однако, отметить, что в работе обращается внимание на важность излучения четвертой положительной системы СО как системы, которая вносит основной вклад в неравновесное излучение за фронтом ударной волны. Такой вывод был сделан на основе того, что интенсивность излучения начинает расти по направлению к области вакуумного ультрафиолета.

В ряде работ для исследования спектрального состава излучения используются различные типы разрядов. Например, в [3] для сравнения с численным кодом и получения эмиссионного спектра смеси C02-N2=97:3 использовались электродуговой и СВЧ разряд. Из работы следует, что спектральный состав излучения газовой смеси зависит как от типа возбуждения газа, так и от вкладываемой в разряд мощности. Для дугового разряда измерения проводились в диапазоне длин волн 275 - 950 нм, основной вклад в излучение вносили фиолетовая система CN и система Свана молекулы С2, также значительную интенсивность имели атомарные линии кислорода. В случае СВЧ разряда, как уже упоминалось, значительную роль играли начальное давление и мощность разряда. При давлении 10 торр и мощности 800 Вт, основной вклад в излучение вносили третья положительная система и система Ангстрема молекулы СО, при давлении 50 торр и мощности 1300 Вт, основной вклад в излучение вносит фиолетовая система CN.

В работе [4] для исследования спектрального состава излучения также использовался СВЧ разряд. Проведено сравнение спектрального состава атмосферы Земли и Марса в диапазоне 150 - 400 нм, показано, что в отличие от земной атмосферы, значительная часть излучения атмосферы Марса сосредоточена в области вакуумного ультрафиолета, за что ответственна четвертая положительная система СО.

Также проводились эксперименты по исследованию неравновесного излучения в СО2 [5]. Однако несмотря на все эти исследования до сих пор неясна роль радиационного теплопереноса и доля излучения неравновесной зоны в Марсианской атмосфере.

Ударные трубы широко используются для исследования высокотемпературных физико-химических процессов, с их помощью были измерены константы скоростей многих важных в горении реакций. Наряду с "горельны-ми" реакциями также можно измерять и другие не менее важные реакции, например реакции протекающие за фронтом ударной волны при входе космического корабля в планетарную атмосферу. При наличии констант скоростей необходимых химических реакций, не возникло бы необходимости проводить экспериментальные исследования и вся задача свелась бы к решению системы дифференциальных уравнений. Поэтому ряд исследований направлен на получение констант скоростей различных реакций, в том числе с участием молекул CN, СО, СО2, N2 и т.д. Достаточно широкий спектр экспериментальных данных существует по реакциям диссоциации СО2, СО и CN, а также по реакциям обмена, содержащим указанные компоненты. Обзор по таким реакциям можно найти в [6] и [7]. Однако большинство экспериментальных данных охватывают диапазон температур до 15000 К, поступательная же температура за ударной волной в Марсианской атмосфере при скорости в 6 км/с составляет 25000 К, а при скорости 9 км/с - 59000 К, поэтому для описания процессов за фронтом ударной волны приходится пользоваться экстраполяцией более низкотемпературных данных по константам скоростей химических реакций.

При рассмотрении сложных реагирующих потоков, таких как планетарные атмосферы, горючие смеси и т.д., обычно пытаются понять механизм физических и химических процессов, протекающих в потоке. Для этого строятся кинетические механизмы процессов, описываемые набором химических реакций. К сожалению в ряде случаев нельзя использовать имеющиеся значения констант скоростей химических реакций, так как большинство экспериментальных значений таких констант получено в условиях больцмановского распределения по внутренним степеням свободы молекул. Все чаще и чаще возникает необходимость моделировать неравновесные физико-химические системы. В таких случаях, а именно такой случай возникает за фронтом сильной ударной волны, в зависимости от ситуации, могут использоваться различные подходы к описанию процессов в реагирующих потоках.

В случае неравенства поступательной, вращательной, колебательной и электронной температур между собой, но при сохранении внутри подсистем больцмановского распределения, удобно пользоваться двух- или многотемпературными моделями. В таких случаях рассматриваются константы скоростей реакций k(T,Tv), зависящие от различных температур, в данном случае от поступательной и колебательной. Такие константы получаются преобразованием равновесных констант скоростей химических реакций: k(T,Tv) = Z(T,Tv)-k°(T) (1.1) где Z{T,TV)— фактор неравновесности, к°(Т)— равновесная константа скорости реакции.

Определение фактора неравновесности - основная задача многотемпературной кинетики. В различных моделях фактор неравновесности может определяться по разному, хороший обзор по термически-неравновесным моделям приведен в справочнике [8].

Следующим по сложности уровнем описания неравновесной кинетики является поуровневая модель описания. В таких моделях рассматривается изменение заселенности отдельных энергетических уровней молекул. Решение такой задачи требует знания уровневых вероятностей, сечений или констант скоростей исследуемых процессов. К сожалению сведения об уровневых характеристиках реакций очень ограничены.

Наиболее приближен к действительности микроскопический уровень описания, когда среда рассматривается как множество взаимодействующих частиц, движение которых описывается классическими или квантовыми уравнениями. Примером может служить численное решение задачи о возбуждении колебаний и диссоциации двухатомных молекул при столкновении с атомами инертного газа за фронтом сильной ударной волны [9]. Однако такой подход требует огромных затрат машинного времени, поэтому таким методом обсчитывают единичные реакции. Например в [10] сделан расчет методом квазиклассичсских траекторий обменной реакции CO+N —» CN+0.

Из всего рассмотренного выше следует, что роль излучения в процессах теплопереноса, при входе космических аппаратов в верхние слои атмосферы, еще далека от полного понимания. Радикально отличающийся химический состав атмосфер ближайших планет не позволяет нам перенести опыт гиперзвуковых полетов в земной атмосфере на скоростные полеты в атмосферах других планет. На сегодняшний день нет убедительных экспериментальных данных о вкладе различных спектральных диапазонов в процесс теплопереноса в атмосфере Марса. Также не существует полной модели, описывающей физико-химические процессы в ударном слое, при входе космического аппарата в верхние слои марсианской атмосферы.

Так как для моделирования процессов в области существенно небольцма-новского распределения энергетических уровней практически единственным приемлемым способом является уровневый способ описания кинетики, то целью данной работы является построение уровневой кинетической схемы в смесях СОг-Иг-Аг и экспериментальное исследование процессов радиационного энергообмена в указанных смесях.

Диссертация состоит из четырех глав. Во введении дается краткое описание ситуации, которая сложилась на сегодняшний день в области исследования неравновесных физико-химических процессов в реагирующих потоках, в частности при исследовании вхождения космических аппаратов в верхние слои атмосферы. Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методики измерений. Третья глава описывает подходы и методы, которые были использованы при создании поуровневой кинетической схемы процессов за фронтом ударной волны. Приведены используемые химические реакции и их константы скоростей. В четвертой главе описываются полученные экспериментальные результаты по измерению спектрального состава излучения за фронтом ударной волны и абсолютные значения интенсивности такого излучения. Также приводится сравнение расчетных характеристик излучения с экспериментальными.

Глава 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Ударная труба

Для исследования высокотемпературных физико-химических процессов наиболее удобным инструментом является ударная труба. Разнообразная диагностика, применяемая на ударных трубах, позволяет определять высокотемпературные константы скоростей химических и релаксационных процессов, скорость роста твердых частиц при высоких температурах и многое другое [и].

Ударная труба представляет собой длинную трубу, обычно круглого или прямоугольного сечения, которая разделяется тонкой диафрагмой на две части [12] . Одна из них, камера низкого давления (КНД), наполняется исследуемым газом. Во вторую часть, камеру высокого давления (КВД), напускается рабочий газ. Обычная длина ударной трубы составляет несколько метров, а внутренний диаметр - порядка нескольких сантиметров. Давление исследуемого газа бывает различным: от долей торра до нескольких сотен торр. В камере высокого давления необходимо сделать как можно более высокое давление. В нужный момент диафрагма, разделяющая камеры низкого и высокого давлений разрывается и по исследуемому газу в камере низкого давления распространяется ударная волна, которая практически мгновенно нагревает исследуемый газ до высокой температуры. Способы создания высоких температур и давлений в камере высокого давления ударной трубы могут быть различными: от простого нагнетания давления до электрического разряда или взрыва горючей смеси. Ударная волна распространяется в виде скачка уплотнения в исследуемом газе, длина такого скачка определяется интенсивностью ударной волны и свойствами исследуемого газа. За скачком уплотнения следует область перемешивания рабочего и исследуемого газов, так называемая контактная поверхность. Из-за образования пограничного слоя и как следствие сужения эффективного сечения трубы, расстояние между фронтом ударной волны и контактной поверхностью в режиме установившегося течения практически не изменяется. Данное обстоятельство позволяет оценить время диагностики за падающей ударной волной, для сильных ударных волн оно составляет от десятков до сотен микросекунд.

Если принять что рассматриваемые газы являются идеальными, разрыв диафрагмы происходит мгновенно, ударная волна в камере низкого давления движется с постоянной скоростью, а влиянием вязкости, теплопроводности и других диссипативных процессов на свойства потока можно пренебречь, то можно получить соотношение [13], описывающее взаимосвязь между давлениями в камерах высокого и низкого давлений и числом Маха образующейся ударной волны:

Р± Pi

27! М2 7i-l 7i + l 7I +1

2.1) где р - давление, 7 - показатель адиабаты, с - скорость звука в газе. Индексы 1 относятся к исследуемому газу, 4 - к рабочему газу в камере высокого давления.

Данное соотношения является основным соотношением упрощенной теории ударной трубы. Однако на практике, из-за сильных предположений, сделанных при его выводе, оно редко обеспечивает приемлемую точность. Поэтому при проведении экспериментальных исследований измеряют скорость ударной волны, по которой затем можно вычислить термодинамические параметры за фронтом падающей и отраженной ударных волн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная экспериментальная установка позволяет проводить диагностику излучения за фронтом ударной волны в широком диапазоне длин волн, от спектральной области вакуумного ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона.

Экспериментальная установка позволяет получать скорость ударных волн до 7-8 км/с. Варьируя начальное давление в ударной трубе и давление горючей смеси в камере высокого давления, можно работать в широком диапазоне скоростей ударной волны.

Проведенные эксперименты по исследованию спектрального состава излучения за фронтом ударных волн в смесях C0-N2(70:30), C02-N2(97:3), С02-N2-Ar(9.7:0.3:90), C02-N2-Ar(48.5:1.5:50) при скоростях ударных волн от 4 до 8 км/с и начальных давлениях смеси 0.5-10 торр показали, что основным источником излучения является радиационный переход CN(B2E+) —» CN(X2E+).

Излучение четвертой положительной системы СО растет относительно излучения фиолетовой системы CN с ростом температуры и при скоростях 8-9 км/с может стать определяющим в процессах радиационного тсплоперсноса.

Как показывают экспериментальные данные, интенсивность излучения системы Свана молекулы Сг является существенным в смесях CO-N2(70:30),

C02-N2-Ar(9.7:0.3:90), C02-N2-Ar(48.5:1.5:50) в исследованном диапазоне скоростей ударных волн.

Для описания физико-химических процессов за фронтом ударной волны была построена поуровнсвая кинетическая схема. Для описания колебательных энергообменов была использована обобщенная теория SSH, а для определения уровневых констант скоростей химических реакций — модифицированная модель вибронных термов.

Проделанные по построенной схеме расчеты доказали возможность применения метода поуровневой кинетики для сложных реагирующих систем. Получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных динамических характеристик излучения в рабочей области кинетической схемы (поступательные температуры за фронтом ударной волны до 20000 К).

1. С.А. Лосев, П.В. Козлов, J1.A. Кузнецова, В.Н. Макаров, Ю.В. Романен-ко, С.Т. Суржиков, Г.Н. Залогин. Излучение смеси C02-N2-Ar в ударных волнах: эксперимент и теория. Препринт 40-98, Институт Механики МГУ. Москва 1998 г.

2. Проблемы аэротермобаллистики, радиационной газодинамики и тепломассообмена в экспедициях возвращения с планетными образцами. Проект МНТЦ №1549, под рук. Г.Г. Черного и С.А. Лосева, Москва 2000-2003 г.г.

3. М. Lino da Silva. Martian Plasma: Arc-Jet Experiments and the SESAM Simulation Tool. Euromech colloquia on Aerodynamics and Thermochemistry of High Speed Flows, Marseille, France, 2002.

4. E.M. Anokhin, S.M.Starikovskaia, A.Yu.Starikovskii. Energy transfer in hypersonic plasma flow and flow structure control by low temperature nonequilibrium plasma. 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, USA, 2004.

5. Nealy J.E. An Experimental Study of Ultraviolet Radiation Behind Incident Normal Shock Waves in C02 at Venusian Entry Speeds. AIAA Paper 75-1150, Sept. 1975

6. Baulch D.L., Drysdale D.D., Duxbury J. and Grant S.J. Evaluated Kinetic Data for High Temperature Reactions. Vol. 3, Homogeneous Gas Phase

7. Reactions of the 02-03 System, the C0-02-H2 System, and of Sulphur-Containing Species. Butterworth, London, 1987.

8. Физико-химические процессы в газовой динамике. Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. T.l М: Издательство Московского Университета, 1995.

9. Б.В. Куксенко, С.А. Лосев.//Докл. АН СССР. 1969. Т.185. М. С.69

10. М.Ю. Погосбекян, С.А. Лосев. Исследование реакции CO+N —> CN+0 методом квазиклассичсских траекторий с использованием вычислительного комплекса "MD Trajectory ".//Химическая физика. 2003. Т. 22. С. 38-46.

11. Bhaskaran R.F., Roth P. The shock tube as wave reactor for kinetic studies and material systems.// Progress in energy and combustion science. 2002.

12. Я.Б.Зельдович, Ю.П.Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Издание второе, дополненное. М.: Наука, 1966.

13. Е.В. Ступоченко, С.А. Лосев, А.И. Осипов. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965.

14. J. Kiefer. Laser-schlieren technique in shock-tube kinetics.// Shock waves in chemistry. Ed. by A. Lifshits, NY, 1981. P. 219.

15. Физические величины: Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мсй-лихова. М.:Энергоатомиздат, 1991.

16. А.А. Радциг, Б.М. Смирнов. Справочник по атомной и молекулярной физике. М: Атомиздат, 1980.

17. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание в четырех томах. Издание третье, переработанное и расширенное. Под редакцией В.П. Глушко. М.:Наука, 1978-1982 гг.

18. JI.A. Кузнецова, Н.Е. Кузьменко, Ю.Я. Кузяков, Ю.А. Пластинин. Вероятности оптических переходов двухатомных молекул. Под ред. Р.В. Хох-лова. М.: Наука, 1980

19. Laher R.R., Gilmore F.R. Improved fits for the vibrational and rotational constants of many states in nitrogen and oxygen. //J. Phys. and Chemical Reference Data, 20, 1991

20. Baulch D.L., Drysdale D.D., and Home D.G. Evaluated Kinetic Data for High Temperature Reactions. Vol. 2, Homogeneous Gas Phase Reactions of the H2-N2-O2 System. Buttcrworth, London, 1973.

21. Физико-химическая кинетика в газовой динамикс./Под ред. С.А. Лосева, О.П. Шаталова. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1986 г.

22. Park С., Howe J.T., Jaffe R.L. and Candler G.V. Review of Chemical-Kinetic Problems of Future NASA Missions, II: Mars Entries.//Journal of Thermophysics and Heat Transfer. V. 8, N. 1, 1994.

23. Park C., JafTe R.L. and Partridge H. Chemical-Kinetic Parameters of Hyperbolic Earth Entry.// Journal of Thermophysics and Heat Transfer. V. 15, N. 1, 2001.

24. Н.Е. Афонина, В.Г. Громов. Исследование на основе модели вызкого ударного слоя течения в области торможения при входе космического аппарата в марсианскую атмосферу.//Препринт №31-97 Ин-та Механики МГУ, М.1997.

25. В.Н. Макаров. Определение механизма физико-химических процессов в высокотемпературном воздухе.// Прикладная механика и техническая физика. Т. 37, № 2, 1996.

26. Л.Б. Ибрагимова. Константы скорости химических реакций в высокотемпературном газе С02.//Математическое моделирование. Т. 12, № 4, 2000.

27. Gupta R.N., Lee К.Р. An aerothcrmal study of MESUR Pathfinder aeroshell. AIAA Paper 94-2025,1994.

28. Неравновесная колебательная кинетика. / Под. ред. М.Капителли. М.Мир. 1989.

29. Никитин Е.Е., Осипов А.И., Уманский С.Я. // Химия плазмы. М. Энер-гоатомиздат. 1989. Вып. 15.

30. Никитин Е.Е., Уманский С.Я., Шалашилин Д.В. // Химическая физика. 1989. Т. 8. N 8. С. 1011.

31. Moor С.В. // J.Chem.Phys. 1965. V. 43. N 9. Р. 2979.

32. Sharma R.D., Brau С.А. // J.Chem.Phys. 1960. V. 50. N 2. P. 924.

33. Лозовский В.А., Саркисов О.М., Уманский С.Я., Цанава Р.А. // Химическая физика. 1983. Т. 2. N 2. С. 201.

34. Никитин Е.Е. Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах. М. Химия. 1970.

35. Корниенко И., Уманский С.Я. //Химическая физика. 1982. Т. 1. N 7. С. 901.

36. В.А.Салышков, А.М.Старик // ТВТ. 1995. Т.ЗЗ. N 1. С.121.

37. О.В.Ачасов, Д.С.Рагозин // Константы колебательного энергообмена в лазерно-активных средах с добавками О2, Н2, Н2О, СО. Препринт N 16. Минск: ИТМО АН БССР. 1986. 53 с.

38. А.П.Зуев, Б.К.Ткаченко // Хим.физика. 1988. Т.7. N 11. С.1451.

39. А.П.Зуев, С.А.Лосев, А.И.Осипов, А.М.Старик // Хим.физика. 1992. Т.П. N 1. С.4.

40. Русанов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984.

41. Диссертационная работа на соискание степени доктора физико-математических наук "Нелинейные волны и энергообмен в химически активных системах", Долгопрудный, 2000.

42. Landau L. // Phys. Z. Sow.,1942. V.2. P.46.

43. Zener С. // Proc. Roy. Soc., 1932. V.A137. P.696.

44. JI.A. Кузнецова, С.Т. Суржиков. Атлас спектральных сечений поглощения электронных и колебательных систем полос двухатомных молекул. Препринт № 603. Институт проблем механики РАН. Москва, 1997.