Цели и задачи проекта

• Научиться проектировать структуру поверхности теплозащитного материала
• Разработать методики расчета взаимодействия многокомпонентного диссоциированного газа с поверхностью
• Разработать детальные модели гетерогенного катализа
• Определить ядра рассеяния и константы скоростей химических реакций, идущих на поверхности теплозащитных покрытий.

Процесс исследования

Гетерогенные процессы играют важную роль при определении тепловых потоков к поверхности многоразовых космических аппаратов при их входе в атмосферу. Выявление механизмов этих процессов и определение их основных кинетических характеристик имеют решающее значение для эффективного конструирования современных теплозащитных систем. Актуальность исследований свойств теплозащитных покрытий возрастает в связи с разработкой новых материалов для перспективных высокоскоростных многоразовых летательных аппаратов, нуждающихся в эффективной тепловой защите при температурах поверхности около 2000 K. Кроме того, все более насущными становятся вопросы снижения тепловых нагрузок на поверхность космических аппаратов и зондов, предназначенных для спуска в атмосферу Марса с последующим возвращением на Землю.
Значительный вклад в теплопередачу при полете многоразовых летательных аппаратов с большими скоростями в атмосфере вносят гетерогенные каталитические реакции с участием образующихся в ударной волне высокоэнергетических частиц – атомов, радикалов, ионов. В земной атмосфере уже при относительно низких скоростях полета главную роль играют продукты диссоциации молекулярного кислорода. На планирующих траекториях входа, когда реакции в газовой фазе заморожены, рекомбинация, сопровождающаяся выделением значительной энергии, проходит на поверхности. Это позволяет говорить о каталитической активности как одном из основных свойств покрытия, препятствующем эффективной тепловой защите.
При входе тел в атмосферу Земли перед телами формируется сильная ударная волна, за которой имеет место существенная диссоциация воздуха. Часть атомов кислорода и азота рекомбинирует непосредственно за ударной волной по мере падения температуры, а другая часть атомов достигает поверхности и рекомбинирует на ней, что приводит к увеличению аэродинамического нагрева. Для использования в системах теплозащиты космических аппаратов представляют интерес материалы, которые имеют малые величины коэффициентов рекомбинации. Такими материалами, например, являются -кристобалит (SiO2), карбид кремния (SiC). Высоко каталитическими материалами обычно считаются металлы и окислы металлов. Применение низко каталитических материалов является эффективным способом теплозащиты многоразовых аппаратов. Однако даже "слабая" каталитичность таких материалов может приводить к заметному возрастанию теплового потока к телу по сравнению с тепловым потоком к некаталитической поверхности. Это предъявляет высокие требования к моделям, описывающим каталитические свойства теплозащитных покрытий.
Нами разработаны постадийные модели гетерогенного катализа диссоциированных газов на наноструктурированных поверхностях различных кристаллических материалов (Al2O3, SiO2, SiC, Cu2O). Кинетика химических реакций рассчитывается нами на атомно-молекулярном уровне с помощью квантово-механического и молекулярно-динамического моделирования. Основную роль в процессах взаимодействия с поверхностью играют процессы химической адсорбции. Поскольку образование химических связей обусловлено короткодействующими силами, то для описания локальных взаимодействий при хемосорбции мы используем кластерные подходы. Кластер - сравнительно небольшой фрагмент решётки твёрдого тела, составленный из конечного числа атомов поверхностного слоя и атомов приповерхностных слоёв. В таком подходе открывается возможность прямого использования в расчётах методов квантовой механики, имеющих дело с ограниченными по размеру молекулярными системами. Эффективность разработанной нами методики подтверждена многочисленными публикацией, а также успешной работой по хоздоговорам.