Моделирование нагрева в критической точке и определение каталитической активности поверхности для спускаемого аппарата «EXPERT»


Просмотр статьи
PDF, 464,0 КБ

Simulation of stagnation point heating and predicting surface catalysity for the EXPERT re-entry conditions

The new technical approach for the testing thermal protection materials (TPM) based on the Local Heat Transfer Simulation concept at the relatively high pressure (170-540 hPa) & low enthalpy (7.7-12 MJ/kg) is developed. The simulation of the stagnation point heating SiC surface in subsonic dissociated air flows and SiC, graphite and carboncarbon surfaces in subsonic dissociated nitrogen flows are carried out using the extended capabilities of the 100-kW IPG-4 plasmatron. Catalytic efficiencies of the reference sintered SiC, graphite V-1 and C-C materials with respect to heterogeneous recombination of the atomic oxygen and nitrogen are predicted close to the EXPERT re-entry conditions through multiparameter CFD modeling heat transfer for the plasmatron tests conditions and comparison with the data of stagnation point heat transfer rates and measurements of the samples surface temperatures.

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Сергей Александрович Васильевский

Том 9, 2010 год



Разработан новый технический подход к испытаниям теплозащитных материалов (ТЗМ), основанный на концепции локального моделирования теплообмена, при относительно высоких давлениях (170-540 гПа) и низ- ких энтальпиях (7.7−12 МДж/кг). С использованием расширенных возможностей 100-киловаттного плазмотрона ВГУ-4 в дозвуковых потоках диссоциированного воздуха выполнено моделирование нагрева в критической точке аппарата «EXPERT» для образцов SiC и проведены эксперименты по теплообмену в дозвуковых потоках диссоциированного азота образцов SiC, графита и углерод-углерода. Для условий теплообмена, близким к траекторным параметрам нагрева аппарата «EXPERT», из сравнения измеренных и рассчитанных тепловых потоков и температур поверхности образцов материалов определены каталитические активности материалов SiC, графит В-1 и углерод-углерод по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов кислорода и азота.

теплозащитные материалы, моделирование теплообмена, плазмотрон, каталитическая активность, гетерогенная рекомбинация

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Сергей Александрович Васильевский

Том 9, 2010 год



1. Kolesnikov A.. The Aerothermodynamic Simulation in Sub- and Supersonic High-Enthalpy Jets: Experiment and Theory. In Proc. 2nd European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. ESA Publication Division, European Space Agency, Noordwijk, The Netherlands. ESA SP-367, 1995. pp. 583-590.
2. Vasil’evskii S.A., Kolesnikov A.F., and Yakushin M.I. Mathematical Models for Plasma and Gas Flows in Induction Plasmatrons. In: Molecular Physics and Hypersonic Flows (Ed. M. Capitelli), NATO ASI Series, Kluwer. V. 482, 1996. pp. 495-504.
3. Kolesnikov A., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A. and Yakushin M.I. Study of Quartz Surface Catalycity in Dissociated Carbon Dioxide Subsonic Flows // Journal of Spacecraft and Rockets. V. 37. No. 5. 2000. pp. 573–579.
4. Kolesnikov A., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A. Predicting Catalycity of Si-Based Coating and Stagnation Point Heat Transfer in High-Enthalpy CO2 Subsonic Flows for the Mars Entry Conditions. In: Proc. Int. Workshop ‘Planetary Probe Atmospheric Entry and Descent Trajectory Analysis and Science’. (Ed. A. Wilson), ESA Publication Division, European Space Agency, Noordwijk, The Netherlands. ESA SP-544, 2004. pp. 77-83,
5. Kolesnikov A., Gordeev A., Vasil’evskii S., Vérant J.L. Technical Approach and validation of Reentry Heating Simulation for the Pre-X and EXPERT Vehicles Using the IPG-4 Plasmatron. In Proc. EUCASS2005 (CD-ROM). 2005. Moscow, Russia.
6. Kolesnikov A., Gordeev A., Vasil’evskii S., Vérant J.L. Predicting Catalytic Properties of SiC Material for the Pre- X Vehicle Re-Entry Conditions. In Proc. 2nd EUCASS European Conference for Aero-Space Sciences (CDROM). 2007. Brussels, Belgium.
7. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высокоэнтальпийного потока к критической точке затупленного тела // МЖГ. № 1. 1993. С. 172-180.
8. Kolesnikov A.F. Extrapolation from High Enthalpy Tests to Flight Based on the Concept of the Local Heat Transfer Simulation. In: Measurement Techniques for High Enthalpy and Plasma Flows. RTO-EN-8. 2000. 8B-1 - 8B-14.
9. Kolesnikov A.F. The Concept of Local Simulation for Stagnation Point Heat Transfer in Hypersonic Flows: Applications and Validation. 2000. AIAA Paper 2000-2515.
10. Muylaert J., Caporicci M. Preparing for Reentry with EXPERT: The ESA in Flight ATD Research Programme. In Proc. EUCASS2005 (CD-ROM). 2005. Moscow, Russia.
11. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // МЖГ. № 5. 2000. С. 164-173.
12. Patankar S.V. and Spalding D.B., Heat and Mass Transfer in Boundary Layers, Intertext Books, London, 1970.
13. Васильевский С.А., Колесников А.Ф., Якушин М.И. Определение эффективных вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов в условиях влияния на тепловой поток газофазных реакций // ТВТ. Т. 29. № 3. 1991. С. 521-529.
14. Gerasimova O., Kolesnikov A., Borisov S., Gordeev A. Surface Structure Degradation of Si-Based Materials Exposed to Dissociated Air and Nitrogen Flows. In: Proc. 25th Int. Symposium on Rarefied Gas Dynamics. (Eds. M.S. Ivanov & A.K. Rebrov), Saint-Petersburg, Russia, 21-28 July 2006. pp. 661-665.