ИСТИНА

Экспериментально-расчетное исследование каталитических свойств металлов, кварца и керамики в сверхзвуковых потоках диссоциированных двухатомных газов. Аналитическое исследование теплопередачи и трения в задачах пространственного гиперзвукового обтекания затупленных тел в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Исследование взаимодействия метеороидов с атмосферой Земли. Исследование и моделирование их движения в атмосфере Земли, их разрушения, абляции, свечения и энерговыделения вдоль траектории.

Experimental and computational study of the catalytic properties of metals, quartz and ceramics in supersonic flows of dissociated diatomic gases. Analytical study of heat transfer and skin friction in three-dimensional problems of hypersonic flow around blunted bodies in a wide range of Reynolds numbers. Study of interaction between meteoroids and the Earth's atmosphere. Study and modeling their motion, destruction, ablation luminosity and energy deposition along the trajectory.

На 2016-2018 г. Будет проведено численное моделирование обтекания и теплообмена образцов из сверхтемпературной керамики в потоке воздушной плазмы для условий экспериментов в АДТ ВАТ-104 и ВГУ-4. Данные по тепловым потокам, температуре поверхности и коэффициентам каталитической рекомбинации атомов O, N и молекул СО на высокотемпературных поверхностях углерода и керамики будут экстраполированы на условия входа в атмосферы Земли и Марса, т.е. определены скорость, высота полета и радиус носового затупления тела. В задачах трехмерного гиперзвукового обтекания затупленных тел при малых, умеренных и больших числах Рейнольдса Re получить аналитические решения для коэффициентов конвективной теплопередачи и трения и оценить их область применимости. Разработать модель дробления метеороида на облако фрагментов и паров, движущихся с единой ударной волной. Получить аналитические решения уравнений физической теории метеоров (ФТМ): 1) для недробящегося метеороида при степенной зависимости коэффициента абляции от скорости. 2) для единого и дробящегося метеороида с меняющимся вдоль траектории коэффициентом абляции в предположении, что масса метеороида убывает быстрее его скорости; сравнить полученное решение для световой кривой Челябинского болида с наблюдательными. на 2019-2023 г.: На основании экспериментальных данных по тепловым потокам в сверхзвуковых струях диссоциированного воздуха расчетным путем будут определены коэффициенты каталитической рекомбинации атомов O, N на охлаждаемых поверхностях меди, серебра, нержавеющей стали (TW = 300 K), кварца (TW = 450-600 K), а также на поверхностях углерода и керамического материала состава HfB2-SiC + графен при температурах до 3000 К. Будут существенно расширены и обобщены экспериментальные и расчетные данные по теплообмену сверхзвуковых струй диссоциированного воздуха с охлаждаемыми поверхностями металлов (Cu, Ag, Au, Be, Ta, Mo), кварца, высокотемпературной керамики на основе HfB2-SiC-графен и углерода, и ряда других высокотемпературных покрытий, для моделей различной геометрии в широкой области рабочих параметров ВЧ-плазмотронов ВГУ-4 и ВАТ-104. Разработать программу численного решения уравнений ФТМ методом Рунге-Кутты. Разработать модель разрушения космического тела в атмосфере на множество фрагментов, движущихся независимо, с учетом их неравномерного вероятностного распределения по массам. Разработать и протестировать новую модель разрушения в атмосфере метеороида на множество фрагментов, движущихся с общей ударной волной. Провести сравнение разработанных и общепринятых моделей разрушения на облако фрагментов; провести с их использованием и с использованием разработанной модели абляции моделирование взамодействия Челябинского метеороида с атмосферой; выбрать наиболее адекватную модель. Получить выражение для коэффициента радиационной теплопередачи в зависимости от скорости, радиуса затупления тела и плотности атмосферы. Оценить влияние переменности вдоль траектории коэффициента теплопередачи на характеристики взаимодействия метеороидов с атмосферой. Разработать численно-аналитический метод решения уравнений ФТМ для единого тела.

Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова имеет большой опыт в решении задач гиперзвукового обтекания затупленных тел в рамках уравнений Навье-Стокса и различных их приближений с учетом неравновесных химических реакций в потоке и на поверхности. Разработан и реализован в виде комплекса программ метод численного интегрирования уравнений Навье-Стокса, основанный на конечно-разностной TVD - схеме высокого порядка точности. Разработанный комплекс программ позволяет проводить расчеты гиперзвукового обтекания тел и моделировать сложные физические процессы в индукционных плазмотронах с учетом неравновесных химических реакций и релаксации внутренних степеней свободы. В ИМех МГУ численно решена задача гиперзвукового пространственного обтекания ВКС "Буран" химически реагирующим потоком воздуха в условиях движения его по планирующей траектории спуска в атмосфере Земли. Для различных режимов истечения диссоциированных газов через звуковые сопла в установке ВГУ-4 получены согласующиеся экспериментальные и расчетные данные по распределениям вдоль оси симметрии давления торможения и тепловых потоков в критической точке цилиндрических водоохлаждаемых моделей с плоской и полусферической поверхностью из меди. Для расчетов течений в канале плазмотрона использовались модели газовой среды с многоканальным энергообменом в многокомпонентной плазме воздуха и углекислого газа. Установлен закон подобия приведенных тепловых потоков в критической точке цилиндрической модели с плоским торцом, обтекаемой недорасширенными струями воздуха и азота в ВЧ-плазмотроне, и в критической точке сферы, обтекаемой гиперзвуковыми потоками воздуха и азота, при выполнении условий локального моделирования теплообмена. Разработка аналитических методов расчета конвективных тепловых потоков на затупленных телах, обтекаемых гиперзвуковым потоком газа в континуальном и переходном режимах.

Итоги за 2016-2018 г. Для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 в рамках уравнений Навье-Стокса и упрощенных уравнений Максвелла для высокочастотного электрического поля выполнены расчеты течений плазмы в разрядном канале ВЧ-плазмотрона ВГУ-4, сверхзвукового обтекания диссоциированным воздухом цилиндрических моделей различной геометрии. Из сопоставлений измеренных и рассчитанных тепловых потоков определены значения эффективных коэффициентов каталитической рекомбинации атомов w для охлаждаемых поверхностей металлов (Au, Ag, Cu, Be, Ta, Nb, Mo), кварца (SiO2) и керамики SiC при высоких температурах поверхности. Установлена количественная шкала каталитической активности исследованных материалов Cu ~ Ag > Nb ~Au > Ta ~ Be > Mo ~ SiO2 ~ SiC. Проведены экспериментальные исследования обтекания и измерены тепловые потоки на поверхности диска из сверх высокотемпературной керамики в аэродинамической трубе ВАТ-104 ЦАГИ в химически неравновесном высокоэнтальпийном сверхзвуковом потоке воздушной плазмы. В рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели газовой среды проведено численное моделирование течения в подогревателе, сверхзвуковом сопле и в рабочей части АДТ ВАТ-104, а также обтекания диска из керамики для условий экспериментов. Сравнение измеренных в экспериментах и полученных в расчетах тепловых потоков на поверхности диска позволило определить каталитическую активность исследуемых образцов сверх высокотемпературной керамики. Проведены сравнения экспериментально измеренных и рассчитанных значений температур на наветренной поверхности диска для нескольких пусков установки АДТ ВАТ-104. В задаче трехмерного гиперзвукового обтекания тел при малых числах Re получены аналитические решения для коэффициентов конвективной теплопередачи, трения и давления, зависящие от газодинамических и геометрических параметров. Оценена их область применимости. Показано, что при стремлении числа Re к нулю эти решения приближаются к свободномолекулярным решениям. При больших и умеренных числах Re получены аналитические решения для теплового потока, отнесенного к значению в точке торможения, зависящие от геометрических параметров, а также решения, зависящие от геометрии и давления на поверхности, имеющие более широкую область применимости. Показано, что найденные решения применимы для расчета относительного теплового потока на идеально каталитической поверхности тел, обтекаемых потоком химически реагирующего газа. Получены аналитические решения уравнений ФТМ для изменения массы, скорости и кинетической энергии недробящегося метеороида при степенной зависимости коэффициента абляции от скорости. В задаче входа космического тела в атмосферу разработана модель его дробления на облако фрагментов и паров, движущихся с единой ударной волной. Получены аналитические решения уравнений физической теории метеоров (ФТМ): 1) для недробящегося метеороида при степенной зависимости коэффициента абляции от скорости; 2) для единого и дробящегося метеороида с меняющимся вдоль траектории коэффициентом абляции в предположении, что масса метеороида убывает быстрее его скорости; показано, что полученное решение для световой кривой Челябинского болида согласуется с наблюдательными данными. Разработать модель распределения фрагментов разрушенного метеороида по массам и провести сравнение с имеющимися данными о массах найденных метеоритов для разных метеоритных дождей.