Excitation of electronic states and atom ionization behind stong shock waves in air
Essential difficulties are arisen at due selection of ionization rates for oxygen and nitrogen atoms when analyzing structures of the relaxation zone behind strong shock waves (SW) in air plasma (at V > 9 km/c) both for the shock tube experiments and numerical modeling of convective-radiative heating of reentry vehicles because of violation of local thermodynamic equilibrium (LTE) conditions. In general case the atom ionization and relaxation zone structure behind the shock wave cannot be described within the frameworks of conventional models where the Cauchy problem with initial data imposed at the shock is solved using atomic ionization rate due to electron impact depending only electron temperature, because of very complex interaction of the elemental processes in compressed layer. Extreme uncertainties in specification of the shock layer parameters are also arisen at numerical simulation of vehicle flows with Navier-Stokes equations together with mentioned atom ionization rates. This paper demonstrates (on the basis of analysis of available experimental and numerical data on excitation, ionization and radiation processes) that the atom ionization rate by electron impact at high velocities depends on temperature, pressure and a size of considered domain and can be determined only as a result of problem solution using a radiation-collision model. Using such a model we will escape claim of selection of the ionization rate constants as well as engaging additional assumptions on atom partitions throughout excited states.
При анализе структуры релаксационной зоны за сильными ударными волнами (УВ) в воздухе (V > 9 км/с) применительно к экспериментам в ударных трубах или расчетах обтекания и конвективно-лучистого теплообмена спускаемых аппаратов из-за нарушения локального термодинамического равновесия возникают существенные трудности при выборе констант скоростей ионизации атомов азота и кислорода. В общем случае из-за сложного взаимодействия процессов, протекающих в сжатом слое, ионизация атомов и структура релаксационной зоны за фронтом УВ не описывается в рамках традиционной модели, в которой решается задача Коши с начальными условиями на скачке уплотнения с использованием констант ионизации атомов электронным ударом, зависящих только от температуры электронов. Большие погрешности в определении параметров ударного слоя получаются также и при решении задачи обтекания с использованием уравнений НавьеСтокса и упомянутых констант ионизации атомов. В данной работе на основе анализа имеющихся экспериментальных и расчетно-теоретических данных о процессах возбуждения, ионизации и излучения атомов показано, что скорость ионизации атомов электронным ударом при больших скоростях зависит от температуры, давления и размеров рассматриваемой области и может быть определена только в результате решения задачи с использованием столкновительно-радиационной модели. При использовании такой модели отпадает необходимость выбора константы скорости ионизации и использования дополнительных предположений о распределении атомов по возбуждённым состояниям.
сильная ударная волна, ударная труба, конвективно-лучистый теплообмен, электронное возбуждение, скорость ионизации, столкновительно-радиационная модель
1. Gnoffo P.A., Gupta R.N., Shinn J.L. Conservation Equations and Physical Models for Hypersonic Air Flows in Thermal and Chemical Nonequilibrium. NASA TR-2867. 1989. 2. Hash D., Olejiniczak J., Wright M., Prabhu D., Pulsonetti M., Hollis B., Gnoffo P., Barnhardt M., Nompelis I., Candler G. FIRE-II Calculations for Hypersonic Nonequilibrium Aerothermodynamics Code Verification: DPLR, LAURA and US3D. 45th AIAA Aerocpace Sciences Meeting and Exhibit 8-11 January 2007, Reno, Nevada. AIAA 2007-605. 3. Суржиков С.Т. Радиационная газовая динамика спускаемых космических аппаратов. Многотемпературные модели. – М.: Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, 2013.-706 с. 4. Yury A. Plastinin, Georgy F. Karabadzhak, Boris A. Khmelinin, Boris A. Zemliansky, Andrey B. Gorshkov, Georgy N. Zalogin. Measurements of the UV Radiation Generated by the Soyuz Spacecraft Transport Capsule During Re-entry // AIAA Paper 2007-0815, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 8 - 11 January 2007, Reno, Nevada. 5. Горшков А. Б. Излучение в ближнем ультрафиолете при входе космического аппарата в атмосферу Земли // Математическое моделирование. 2009. Т.21. № 6. С.79-88. 6. Власов В.И., Залогин Г.Н., Лунев В.В., Чураков Д.А. Лучисто-конвективный теплообмен спускаемых аппаратов. Электронный журнал "Физико-химическая кинетика в газовой динамике". 2012 г. Т. 13, вып. 1. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2012-02-16-001.pdf 7. Власов В.И., Залогин Г.Н., Ковалев Р.В., Чураков Д.А. Лучисто-конвективный теплообмен спускаемого аппарата с разрушаемой тепловой защитой». Электронный журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике» 2012 г. Т. 13, вып. 2. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2012-12-26-001.pdf 8. Власов В.И., Залогин Г.Н., Прутько К.А., Чураков Д.А. Влияние излучения атомов на лучистый теплообмен аппаратов при входе их в атмосферу со второй космической скоростью. Космонавтика и ракетостроение, вып. 1(70). ЦНИИмаш, 2013, C. 29-36. 9. Park, C. Measurement of Ionic Recombination Rate of Nitrogen/ AIAA Journal, 1968, v.6, N 11, Pp. 2090-2094. 10. National Institute of Standards and Technology's (NIST) web site. http://physics.nist.gov/PhysRefData/Ionization/atom_index.html 11. Surzhikov S.T., Shang J.S. Kinetic Models Analysis For Super-Orbital Aerophysics. 46th AIAA Aerocpace Sciences Meeting and Exhibit 7-10 January 2008, Reno, Nevada. AIAA 2008-1278. 12. Scharfman W.E., Taylor W.C. Use of ion probes in supersonic plasma flow // AIAA Journal, 1970, v.8, N 6. 13. Wilson J. Ionization rate of air behind high- speed shock waves // Phys. Fluids., 1966, v.9, N 10, P.1913. 14. Горелов В.А., Кильдюшова Л.А. Особенности процессов ионизации и излучения за сильными ударными волнами в воздухе. ПМТФ, 1987, № 6, C. 23-28. 15. Gorelov V.A., Kildusheva L.A., Kireev A.Yu. “Ionization particularities behind intensive shock waves in air at velocities of 8-15 km/s”, AIAA Paper 94-2051, 1994. 16. Залогин Г.Н., Лунев В.В., Пластинин Ю.А. Ионизация и неравновесное излучение воздуха за сильными ударными волнами // Изв. АН СССР, МЖГ, 1980, № 1, C. 105-112. 17. Cruden B.A., Le H., Martinez R. Electron Density Measurement in Re-entry Shocks for Lunar Return. 42nd AIAA Thermophysics Conference 27-30 June 2011, Honolulu, Hawaii. AIAA 2011-3628. 18. Горелов В.А., Киреев А.Ю., Шиленков С.В. Неравновесные ионизационные процессы за сильными ударными волнами при высоких скоростях их распространения в воздухе. Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007. Т.5. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2007-02-05-001.pdf. 19. Parker R., Dufrene A., Holden M., Wakeman T. Shock-Front Emission Measurements at 10 km/s. 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition 4 - 7 January 2011, Orlando, Florida. AIAA 2011-715. 20. Лосев С.А., Полянский В.А. Неравновесная ионизация воздуха за фронтом ударной волны при скоростях 5 - 10 км/с // Изв. АН СССР, МЖГ, 1968, № 1, C. 176-183). 21. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Лагарьков А.М. и др. Течение воздуха за фронтом сильной ударной волны с учетом неравновесной ионизации и излучения // Изв. АН СССР, МЖГ, 1967, № 6, C 46-53. 22. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Якубов И.Т. Релаксация и неравновесное излучение за ударными волнами в воздухе. Изв. АН СССР, МЖГ, 1970, № 4, C. 161-174. 23. Биберман Л.М., Якубов И.Т. Состояние газа за фронтом сильной ударной волны. ТВТ, 1965, т. 3, № 3, C. 340-353. 24. Surzhikov S.T., Shang J.S. Influence of Atomic Lines on Radiative Heating of Entering Space Vehicles. 42nd AIAA Thermophysics Conference 27-30 June 2011, Honolulu, Hawaii. AIAA 2011-3628. 25. Johnston C.O. A Comparison of EAST Shock-Tube Radiation Measurements With a New Radiation Model. 46th AIAA Aerocpace Sciences Meeting and Exhibit 7-10 January 2008, Reno, Nevada. AIAA 2008-1245. 26. Panesi M., Magin T., Bourdon A., Bultel A., Chazot O., Badon Y. Callisional-radiative modeling in flow simulation. RTO-EN-AVT-162, 2008. 27. Гурвич Л.В. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ, т. 2, М.: АН СССР, 1962, C. 916. 28. Johnston C.O. Nonequilibrium Shock-Layer Radiative Heating for Earth and Titan Entry. Dissertation Ph. D. Blacksburg, Virginia. 2006. 29. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю., Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе, Механика жидкости и газа, 1995, № 2, C.169. 30. Park, C., Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics, 1990. 31. Park, C., Chemical-Kinetic Problems of Future NASA Missions. I. Earth Entries, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 7, No. 3, 1993, Pp. 385–398. 32. Laux C.O., Lan Yu, Packan D.M., Gessman R.J., Pierrot L., Kruger C.H., “Ionization mechanisms in two-temperature air plasmas”, AIAA Paper 99-3476, 1999. 33. Гладышев М.К., Горелов В.А. Экспериментальное определение времени ионизации за сильной ударной волной в воздухе. Изв. АН СССР, МЖГ, 1973, № 1. 34. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Лагарьков А.Н., Стулов В.П., Теленин Г.Ф., Шапиро Е.Г., Якубов И.Т. Течение воздуха за фронтом сильной ударной волны с учетом неравновесной ионизации и излучения. Изв. АН СССР, МЖГ, 1967, № 6, C. 46-57. 35. Lin S. C., Teare J.D. Ionization behind the Shock waves in Air. Phys. Fluids. 1963, vol. 6, № 2. 36. Drawin, H. W., “Collision and Transport Cross Sections,” Plasma Diagnostics, edited by W. Lochte-Holtgreven, North-Holland, Amsterdam, 1968, Pp. 842875. 37. Анфимов Н.А., Румынский А.Н. Лучисто-конвективный теплообмен и теплозащита космических аппаратов, спускаемых на поверхность Земли и других планет солнечной системы. Проблемы механики и теплообмена в космической технике. Под ред. О.М. Белоцерковского.– М.: Машиностроение, 1982. 272 с. 38. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. Под редакцией докт. техн. наук Б.А. Землянского. Из-во ФИЗМАТЛИТ. 2014 г.
