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/свторая — в смеси 1 для начального давления Р1=5 торр и средней скорости ударной волны Vs=2.94 км/стретья — 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 15 000 К, поступательная же температура за ударной волной в Марсианской атмосфере при скорости в 6 км/с составляет 25 000 К, а при скорости 9 км/с — 59 000 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 двухили 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 20 000 К).
