Radiative heating of the super-orbital re-entry space vehicles in view of atomic lines

The results of calculations of radiative heating of super-orbital spacecrafts Fire-II, Stardust, Orion, and Prospective Space Vehicle (PTV) in view of atomic lines of atoms and ions using a computer platform NERAT-ASTEROID, developed in IPMech RAS, are presented and discussed.
This computer platform is designed to solve the complete system of equations of radiation gas dynamics of a viscous, heat-conducting, physically and chemically nonequilibrium gas and radiative transfer in two-dimensional and three-dimensional geometry.
Spectral optical properties of high-temperature gases are calculated using an ab-initio approach together with the semi-classical and quantum-mechanical methods. Calculation of the selective transfer of heat radiation is made using a line-by-line method at a specially generated computational grid wavelength radiation, allowing achieves appreciable savings of computational resources. Especial attention is devoted to investigation of the contribution of atomic lines radiation into total radiative heating of super-orbital spacecrafts.
This paper was presented at the 8-th All-Russian Scientific Conference “Aerothermodynamics and Physical Mechanics of the Classical and Quantum System” (APhysMech-2014) in IPMech RAS, 23 December, 2014.

Ключевые слова: Strong shock waves, relaxation zone, shock tube experiments

Author: Сергей Тимофеевич Суржиков Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт проблем механики им. А.Ю.Ишлинского Российской академии наук" (ИПМех РАН)

Выпуск: Том 15, выпуск 4, 2014 год

Рекомендуемое библиографическое описание статьи:
Суржиков С. Т. Радиационный нагрев поверхности сверхорбитальных спускаемых космических аппаратов с учетом атомных линий//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-4/articles/235/

Представлены результаты расчетов лучистого нагрева космических аппаратов Fire-II, Stardust, Orion и Перспективного Транспортного Корабля (ПТК) с учетом атомных линий атомов и ионов с использованием компьютерной платформы NERAT-ASTEROID, разрабатываемой в ИПМех РАН. Указанная компьютерная платформа предназначена для решения полной системы уравнений радиационной газовой динамики вязкого, теплопроводного, физически и химически неравновесного газа и радиационного переноса в двухмерной и трехмерной геометрии.
Спектральные оптические свойства высокотемпературных газов вычисляются с использованием ab-initio квазиклассических и квантово-механических методов. Расчет переноса селективного теплового излучения выполнен с использованием line-by-line метода на специально генерируемых расчетных сетках по длине волны излучения, позволяющих достичь заметной экономии вычислительных ресурсов.
Данная работа доложена на 8-й Всероссийской школе-семинаре «Аэротермодинамика и физическая механика классических и квантовых систем» (АФМ-2014) ИПМех РАН, 23 декабря 2014 г.

Ключевые слова: Структура релаксационной зоны, сильные ударные волны, эксперименты в ударных трубах

Выпуск: Том 15, выпуск 4, 2014 год

1. Суржиков С.Т. Исследование влияния кинетических моделей на результаты расчетов радиационно-конвективного нагрева космического аппарата в летном эксперименте FIRE-II// Химическая Физика. 2008. Т.27. №10. 14. С.63-76.
2. Park,C., Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics. Willey-Interscience Publication, J. Wiley & Sons. New-York, 1990
3. Surzhikov S.T., Shang J.S., “Radiative and Convective Heating of ORION Space Vehicles at Earth Orbital Entries,” AIAA Paper 2011-251, 2011, 22 p.
4. Diadkin A., Beloshitsky A., Shuvalov M, and Surzhikov S., “Nonequilibrium radiative gasdynamics of segmental-conical space vehicle of large size,” AIAA Paper 2011-453, 2011, 29 p.
5. Shang J.S., Surzhikov S.T. Simulating Nonequilibrium Flow for Ablative Earth Entry// J. of Spacecraft and Rockets. 2010. Vol.47. No.5. pp.806-815.
6. Shang J.S., Surzhikov S.T. Simulating Stardust Earth Reentry with Radiation Heat Transfer// J. of Spacecraft and Rockets. 2011. Vol. 48. No.3. pp.385-396.
7. Surzhikov S.T., Shang J.S. Coupled Radiation-Gasdynamic Model for Stardust Earth Entry Simulation// Journal of Spacecraft and Rockets. 2012. Vol. 49. No.5. pp.875-888.
8. Johnston C.O., Hollis B.R., Sutton K. “Nonequilibrium Stagnation-Line Radiative Heating for Fire-II,” JSR, Vol. 45, No.6, 2008, pp.1185-1195.
9. Горелов В.А., Киреев А.Ю. Физико-химическая модель формирования неравновесного излучения N2 в области вакуумного ультрафиолета за ударной волной в воздухе. //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014, Том.15, Вып.1. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2014-11-27-010.pdf
10. Власов В.И., Залогин Г.Н., Ковалев Р.В., Чураков Д.А. Лучисто-конвективный теплообмен спускаемого аппарата с разрушаемой тепловой защитой// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012, Том.13, Вып.2. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2012-12-26-001.pdf
11. Суржиков С.Т. Перспективы многоуровневого подхода к задачам компьютерной аэрофизики// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008, Том.7. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-09-01-002.pdf
12. Власов В.И., Залогин Г.Н., Прутько К.А. Возбуждение электронных состояний и ионизация атомов за сильными ударными волнами в воздухе// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014, Том.15, Вып.4. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2014-11-28-002.pdf
13. Surzhikov S.T., “Random models of Atomic Lines for Calculation of Radiative Heat Transfer in Laser Supported Waves.” AIAA Paper 97-2367. 1997, 11 p.
14. Суржиков С.Т. Оптические свойства газов и плазмы. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2004, 576 c.
15. Суржиков С.Т. Тепловое излучение газов и плазмы. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2004, 544 c.
16. Surzhikov S.T. “Computing System for Mathematical Simulation of Selective Radiation Transfer,” AIAA Paper № 00-2369. 2000, 15 p.
17. Surzhikov S.T. “Data Base of Atomic Lines for Radiative Gas Dynamic Models,” AIAA Paper 02-2898. 2002, 46 p.
18. Olynick, D.R., Henline, W.D., Hartung L.C., and Candler, G.V., Comparison of Coupled Radiative Navier-Stokes Flow Solutions with the Project Fire-II Flight Data, AIAA Paper 94-1955, 1994, 15 p.
19. Cauchon, D. L., "Radiative Heating Results from the Fire II Flight Experiment at Reentry Velocity of 11.4 Km/s," NASA TM X- 1402, July 1967.
20. Olynick D., Chen Y.-K., Tauber M.E. “Aerothermodynamics of the Stardust Sample Return Capsule,” J. Spacecraft and Rockets, 1999, Vol. 36. No. 3. Pp.442-462.
21. Djadkin A., Beloshitsky A., Shuvalov M., Surzhikov S., “Uncertainties in Heating Predictions of Segmental-Conical Space Vehicle Resulting From Data on Chemical and Physical Kinetics”, AIAA-2013-1056, 51st Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition 07-10 January 2013. Grapevine (Dallas/ Ft. Worth Region), Texas, USA. 43 p. DOI: 10.2514/6.2013-1056
22. Суржиков С.Т. Анализ моделей ионизационной кинетики при гиперзвуковом обтекании цилиндра// Журнал химической физики. 2010. Т.29. №7. С.48-62.