About material catalycity in high temperature multicomponent gases
Nature of material catalycity with respect to atom recombination at the surface is studied for the case of gas mixture
at high temperatures for conditions of either hypersonic atmospheric flight of vehicles or flows in hightemperature
on-ground facilities. Use of catalycity constants (or heterogeneous recombination probabilities) for individual
components specified in experiments with dissociated flows of “pure” gases to predict surface material heat
fluxes in multicomponent gas mixtures is demonstrated to be misleading in general case because of difference of
surface atom occupation numbers in pure gas and in mixture. This conclusion can be drawn on the basis of adequate
consideration of material surface occupation numbers for separate atomic species in gas mixture due to adsorption
[1]. This phenomena has to be accounted for under treatment of experiments – still the only source of information
on material catalycity in gaseous mixtures. Otherwise the CFD predictions of heat transfer of hypersonic
vehicles will appear to be invalid. Errors that are brought about by using recombination probabilities obtained for
pure gases are considered by numerical modeling of heat transfer of a sphere moving at hypersonic velocity at high
altitude, when boundary layer reactions are frozen.
Исследуются закономерности формирования каталитичности материалов в отношении реакций рекомбинации атомов
на их поверхности, в смеси различных газов при высоких температурах для условий гиперзвукового полета летательных аппаратов в атмосфере или в потоке высокотемпературных газов в лабораторных установках. Показана неправомерность (в общем случае) использования констант каталитичности (вероятностей гетерогенной рекомбинации) отдельных компонентов, определенных экспериментально в диссоциированных потоках "чистых" газов, для расчета тепловых потоков к поверхности материалов в многокомпонентных газовых потоках из-за различия заполнения поверхности атомами в чистом газе и смеси. К такому выводу приводит адекватный учет коэффициентов заполнения поверх-
ности материала отдельными компонентами в газовой смеси при их адсорбции [1]. Этот эффект подлежит учету при
интерпретации экспериментов – единственному пока источнику сведений по каталитичности материалов в газовых
смесях. В противном случае результаты расчетов теплообмена гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) могут
оказаться ошибочными. На примере теплообмена сферы, движущейся с гиперзвуковой скоростью на большой высоте,
когда пограничный слой заморожен, рассмотрены погрешности, возникающие при использовании в расчетах теплообмена вероятностей рекомбинации, полученных в чистых газах.
1. Власов В.И., Залогин Г.Н., Лунев В.В. О влиянии каталитичности материалов в многокомпонентной смеси газов на теплообмен гиперзвуковых летательных аппаратов. European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). Москва. 2005.
2. Goulard R. On Catalytic Recombination Rates in Hypersonic Stagnation on Heat Transfer. Jet Propulsion, Vol.28, N 11, p.737-745, 1958.
3. Inger G.R. Nonequilibrium Hypersonic Stagnation Flow with Arbitrary Surface Catalycity Including Low Reynolds Number Effect // Int/ J/ Heat and Mass Transfer. 1966. V. 9. pp. 755-772.
4. Агафонов В.П., Вертушкин В.К., Гладков А.А., Полянский О.Ю. Неравновесные физико-химические процессы в аэродинамике.–М: Машиностроение. 1972.
5. Беркут В.Д., Дорошенко В.М., Ковтун В.В., Кудрявцев Н.Н. Неравновесные физико-химические процессы в гиперзвуковой аэродинамике. М.: Энергоатомиздат. 1990. 400с.
6. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, 224 с.
7. Лунев В.В. Течение реальных газов с большими скоростями.– М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 760 с.
8. Залогин Г.Н., Лунев В.В. О каталитических свойствах материалов в неравновесном потоке воздуха// Изв. РАН, МЖГ, 1997, №5.
9. Воинов Л.П., Залогин Г.Н., Лунев В.В., Тимошенко В.П. Сравнительный анализ лабораторных и натурных данных о каталитичности материалов теплозащиты ЛА “Бор” и “Буран” // Космонавтика и ракетостроение, 1994, № 2, с. 51-57.
10. Баронец П.И., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. и др. Отработка теплозащитных материалов орбитального корабля “БУРАН” на индукционных плазмотронах // Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации, 1990, 1991гг. – М.: Наука. 1991. С.41−52.
11. Kolodziej P., Stewart D.A. Nitrogen recombination on high - temperature reusable surface insulation and the analysis of its effect on surface catalysis. AIAA Paper 87-1637,1987.
12. Scott C.D. Catalytic recombination of nitrogen and oxygen on high temperature reusable surface insulation. AIAA Paper 80-1477, 1980.
13. Breen J., Delgass W.N., Nordine P.C. Rosner D.E. Catalysis study for Space Shuttle vehicle thermal protection systems // NASA. Report. CR-134124. 1973.
14. Zoby E.V. Analysis of STS-2 experimental heating rates and transition data. AIAA Paper 82-0822, 1982.
15. Gupta R.N. Reevaluation of flight-derived surface recombination-rate expressions for oxygen and nitrogen. J. Spacecraft and Rockets Vol. 33, № 3. pp.451−454, 1996.
16. Rakish J.V., Stewart D.A., Lanfranco M.J. Results of a flight experiment of the catalytic efficiency of the Space Shuttle heat shield. AIAA Paper 82-944,1982.
17. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. Экспериментальное определение каталитичности карбида кремния и анализ данных, полученных в ходе летного эксперимента спускаемого аппарата OREX//// Космонавтика и ракетостроение, 2005, 2 (39), с. 8−17.
18. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. Методика и результаты экспериментального определения каталитической активности материалов при высоких температурах // Изв. АН, МЖГ, 2003, № 5, 178-189.
19. Glasstone S., Laider K., Eyring H. Theory of Rate Processes. McGrow Hill, NY, 1941.
20. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. Из-во Наука, Москва, 1986, 304 с.
