Experimental investigation of the materials surface structure influence on their catalytic activity
Heat exchange experimental investigation on the rough surface was held in the high frequency plasmatron subsonic oxygen and nitrogen plumes at the plasmatron power 1 MW, gas pressure р = 2500 Pa, energy input N = 100 kW. Heat exchange features on the different chemical composition materials models with different roughness degree and surface layer porosity are under the consideration. Materials surface layer structure influence on their oxygen and nitrogen catalytic activity was investigated. Heat perceptive elements (HPE) for the purpose of investigation of the surface chemical properties (catalytic activity) influence on the heat exchange were made from polished (roughness altitude h < ± 0.3·mkm) metals: cuprum, nickel alloy, aluminum alloy, titanium alloy, steel. Metal surface structure influence on the heat exchange was investigated using sensors with HPE of different roughness. Surface layer porosity influence on the heat exchange was held using quartz material TZMK-10 (brick heat resistance) without antioxidant film and porous Al2O3. As a standard material with known (small) surface catalytic activity and known optical properties (spectral and integrated emissivity factor) the material TZMK-10 with antioxidant film was used.
high frequency plasmatron, catalytic activity, surface structure
На основе результатов экспериментов, проведенных в дозвуковых струях воздуха и азота, генерируемых в ВЧ-плазмотроне мощностью 1 МВт при давлении р = 25 гПа и энерго-вкладе N = 100 кВт, рассмотрены особенности теплообмена моделей из материалов раз-личного химического состава, имеющих различную степень шероховатости и пористости поверхностного слоя. Исследовано влияние структуры поверхностного слоя материала на их каталитическую активность в отношении реакций гетерогенной рекомбинации атомов кислорода и азота. При исследовании влияния химических свойств поверхности (каталитичности) на теплообмен тепловоспринимающие элементы (ТВЭ) датчиков были выполнены из полированных (высота шероховатости h < ± 3×10-⁴4 мм) металлов: меди, никелевого сплава, алюминиевого сплава АмГ6, титанового сплава ВТ20, стали. Влияние структуры поверхности металла (меди) на теплообмен проводилось датчиками, ТВЭ которых были выполнены с различной степенью шероховатости. Исследование влияния пористости поверхностного слоя на теплообмен проведено на кварцевом материале ТЗМК-10 (плиточная теплозащита) без противоокислительного покрытия, и пористом оксиде алюминия Al2O3. В качестве эталонного материала, имеющего известную (низкую) каталитичность поверхности и известные оптические свойства (спектральную и интегральную степени черноты), использовался материал ТЗМК-10 с противоокислитель-ным покрытием.
высокочастотный плазмотрон, каталитическая активность, структура поверхности
1. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. и др. Высокочастотный плазмотрон - установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение, 1994, № 2, с. 22-32. 2. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высоко-энтальпийного потока к критической точке затупленного тела // Изв. РАН, МЖГ. 1993, № 1, с. 172-180. 3. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т.2. Под ред. Фортова В.Е. М.: «Наука». С. 634. 4. Беркут В.Д., Дорошенко В.М., Ковтун В.В., Кудрявцев Н.Н. Неравновесные физико-химические процессы в гиперзвуковой аэродинамике. М.: Энергоатомиздат, 1994. 399 с. 5. Васильев В.А., Залогин Г.Н., Землянский Б.А. и др. Экспериментальные исследования влияния окисления и загрязнения теплозащитных материалов на их каталитическую активность // В сб. : Ракетно-космическая техника, сер. 2, вып. 1, ЦНИИМАШ, 1996, с. 5-16. 6. Бремер Г., Вендланд К.-П. Введение в гетерогенный катализ. Из-во «Мир». 1981. 160 с. 7. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. Методика и результаты экспери-ментального определения каталитической активности материалов при высоких температурах // Изв. РАН, МЖГ, 2003, № 5, с. 178-189. 8. Rakish J.V., Stewart D.A., Lanfranco M.J. Resalts of a flight experiment of the catalytic effeciency of the Space Shuttle heat shield // AIAA Paper, 1984, N 944, p. 14. 9. Zoby E.V., Gupta R.N., Simmounds A.L. Temperature dependent reaction-rate expression for oxygen recombination at Shuttle entry conditions // AIAA Paper, 1984, N 224, p. 8. 10. Shim J.L., Moss J.N., Simmounds A.L. Viscous shock layer heating analysis for the Shuttle windward symmetry plane with surface finite catalytic recombination rates // Entry vehicle, heating and thermal protection systems. Vol. 85, 1983. 11. Lozino-Losinsky G., Timoshenko V. Lessons Learned from the Bor Flight Campaign // Proceedings of the European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, 1998, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, ESA SP-426, pp. 675-683, 1988. 12. 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. 13. Баронец П.И., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Якушин М.И. Отработка теплозащитных мате-риалов орбитального корабля “БУРАН” на индукционных плазмотронах // Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации, 1990,1991гг. – М.: Наука. 1991. С. 41-52. 14. 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. 15. Goulard R. On Catalytic Recombination Rates in Hypersonic Stagnation on Heat Transfer // Jet Propulsion. 1958. Vol. 28, № 11. Pp. 737-745. 16. Залогин Г.Н., Итин П.Г., Кнотько В.Б. и др. Диагностика неравновесной плазмы и определение каталитических свойств материалов в струе ВЧИ-плазмотрона // В сб. Плазмохимия-89, т.2, М.: ИНХСРАН, 1989, с. 245-271. 17. Жестков Б.Е., Книвель А.Я. Экспериментальное исследование гетерогенной рекомбинации //Труды ЦАГИ. 1981. Вып. 2111, с. 215-227. 18. Scott C.D. Catalytic Recombination of Nitrogen and Oxygen on High Temperature Reusable Surface Insulation // AIAA Paper, 1980, № 80-1477, 9 p. 19. Park C., Raiche G.A., Driver D.M. at al. Comparison of Enthalpy Determination Methods for Arc-Jet Facility // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. Vol. 20, No. 4, October-December 2006. 20. Cauquot P., Cavadias S., Amouroux J. Thermal Energy Accommodation from Oxygen Atoms Recombination on Metallic Surfaces // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. Vol. 12, No. 2, AprilJune 1998. 21. Sarrette J.-P., Rouffet B., Ricard A. Determination of Nitrogen Atoms Probabilities on Copper, Aluminium, Alumina, Brass and Nylon Surfaces // Plasma Process. Polym. 2006, 3, pp. 120126. 22. Park G. Oxygen Catalytic Recombination on Copper Oxyde in Tertiary Gas Mixtures // Journal of Spacecraft and Rockets. Vol. 50, No. 3, May-June 2013. 23. Herdrich G., Auweter-Kurtz M., Fertig M. at el. Catalysis of Candidate TPS Materials for Expert-Basis for TPS Desing and Catalysis Based In-Flight Instrumentations // Proceeding of the 5th European Workshop on Thermal Protection Systems and Hot Structures, Noordwijk. The Netherlands, 17-19 May 2006. 24. Anderson L.A. Effect of Surface Catalytic Activity in Stagnation Heat Transfer Rates // AIAA J. 1973. Vol. 11, № 2. Pp. 649-656. 25. Cheung T. M. Nitrogen Catalytic Recombination on Copper Oxide in Tertiary Gas Mixtures // Master Thesis, Delft University of Technology, 2015. 26. Prok G. M., Effect of Surface Preparation and Gas Flow on Nitrogen Atom Surface Recombination // NASA TN D-1090, 1961. 27. Pope R.B., Stagnation-Point Convective Heat Transfer in Frozen Boundary Layers // AIAA Journal, Vol. 6, No. 4, 1968, p. 619. 28. Rahman M., Linnett J.W., Recombination of Atoms at Surfaces, Part 12 - Nitrogen Atoms at Some Metal and Alloy Surfaces // Trans. of the Faraday Society, Vol. 67, 1971, p. 183. 29. Hartunian, R. A., Thompson, W. P., and Safron, S., Measurements of Catalytic Efficiency of Silver for Oxygen Atoms and the O-O2 Diffusion Coefficient //The Journal of Chemical Physics, Vol. 43, No. 11, 1965, p. 4003. 30. 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. 31. Nguyen-Xuan F., Makkard O., Cavadias S. at al. Catalycity Measurements on Metallic and SiC Material Surfaces, in a Pulsed Plasma Reactor // Second European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. Noordwijk. 1994. 32. Словецкий Д.И., Тодесайте Р.Д. Исследование механизма разложения молекул азота в тлеющем разряде. Экспериментальное исследование влияния тлеющего разряда на коэффициент скорости рекомбинации атомов на поверхности разрядной трубки // Химия высоких энергий. Т.7, № 4. 1973. 33. Власов В.И., Залогин Г.Н., Лунев В.В. О каталитичности материалов в высокотемпературных многокомпонентных газах // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Том 7. 8с. http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/437/ 34. Дождиков В.С., Петров В.А. Излучательные характеристики теплозащитных материалов орби-тального корабля «Буран» // Инж.-физ.ж. 2000. Т. 73. № 1. С. 26-30. 35. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия. 1974. 472 с. 36. Власов В.И. Теоретические исследования течения высокотемпературного газа в разрядной и рабочих камерах ВЧ-плазмоторона // Космонавтика и ракетостроение, ЦНИИмаш, № 23, 2001, с. 18-26. 37. Власов В.И. Численное моделирование неравновесного течения в разрядной камере ВЧ-плазмо-трона // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений. Тез. докл. Международной конф. ЦАГИ. 2004. С. 294-295. 38. Брылкин Ю.В., Кусов А.Л. Моделирование структуры рельефа реальных поверхностей на основе фракталов в аэродинамике разреженных газов // Космонавтика и ракетостроение, 2014, № 3(76), c. 22-28.
