CC BY
110
Том ХЬЇЇЇ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2012
№ 6
УДК 533.6.011.08
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВОБОДНОМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОТОКА ГАЗА С ОБТЕКАЕМЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ
А. И. ЕРОФЕЕВ, А. П. НИКИФОРОВ
Приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия высокоскоростных свободномолекулярных потоков гелия, неона, аргона и азота с поверхностями твердых тел. Эксперименты проводились в вакуумной аэродинамической установке ВАТ-103 ЦАГИ.
Основное внимание уделялось анализу отраженных потоков. Выявлены тенденции изменения импульсов отраженных молекул от рода молекул газа, материала поверхности, скорости потоков и угла падения потока на поверхность.
Ключевые слова: свободномолекулярное обтекание, взаимодействие газов с поверхностью, коэффициенты аккомодации.
ВВЕДЕНИЕ
Влияние космического пространства на летательные аппараты, функционирующие на различных орбитах в околоземном пространстве, чрезвычайно многообразно. Оно активно исследуется на протяжении последнего полувека. Но по-прежнему актуальными являются и вопросы силового и теплового воздействия верхней атмосферы Земли, и проблемы живучести элементов конструкций и технологического оборудования, особенно в агрессивной среде атомарного кислорода на высотах свыше 200 км, и вопросы, связанные с наличием собственной атмосферы около космического летательного аппарата (КЛА) [1 — 5].
Полеты КЛА осуществляются на различных высотах, на которых молекулярный состав атмосферы существенно изменяется: на высотах менее 170 км преобладает молекулярный азот, на высотах 200 — 700 км — атомарный кислород, на высотах выше 500 км в зависимости от солнечной активности, времени года, времени суток и др. факторов доминирующим компонентом может быть гелий. Это обстоятельство требует изучение влияния вида молекул на их взаимодействие с поверхностями. Работа на околоземной орбите стационарной станции сопровождается периодическими включениями двигателей коррекции, а также подлетами и отлетами от нее КЛА различного назначения, выхлопные струи двигателей которых могут воздействовать на поверхность станции. Состав струй может включать молекулы Н2, Н2О, N2, СО, СО2 и другие компоненты, скорость которых относительно станции имеет величину порядка 3 км/с. Таким образом, при определении воздействия на КЛА верхней атмосферы Земли и других внешних источников молекулярных потоков необходимы данные о взаимодействии молекул с поверхностями в достаточно широком диапазоне изменения параметров потока по составу и скоростям.
ЕРОФЕЕВ НИКИФОРОВ
Александр Иванович Александр Петрович
доктор технических наук, кандидат технических наук, главный научный ведущий научный
сотрудник ЦАГИ сотрудник ЦАГИ
Поверхности космических аппаратов имеют сложную структуру и довольно неопределенный химический состав, связанный с наличием загрязнений и неконтролируемых адсорбционных слоев. Этот состав определяется технологическими процессами изготовления и содержания изделий в наземных условиях, а также многочисленными факторами при функционировании аппаратов на орбите. К ним относятся процессы массовыделения и массопереноса при дегазации материалов, при работе двигателей коррекции траектории и положения аппарата химическими реакциями под влиянием атмосферного атомарного кислорода, солнечного и космического излучения и т. д. [3 — 7].
Для исследования отмеченных проблем в мире создана обширная экспериментальная база [4, 8 — 14]. Условия лабораторного моделирования теплового и силового воздействия газовых потоков на «инженерные» поверхности обсуждались, например, в [4, 12]. Одним из основных положений, необходимых для моделирования, является существенное превышение интенсивности высокоскоростного потока рабочего газа над интенсивностью потока остаточного газа в экспериментальной установке [12]. Это условие реализовано на вакуумном стенде ВАТ-103 ЦАГИ [8] и ряде других установок [10, 13]. Обзор имеющихся в литературе данных будет дан ниже вместе с анализом экспериментальных результатов. Эти данные, полученные в различных вакуумных условиях с пучками переменной интенсивности, имеют значительный разброс. Поэтому представляется важным проведение экспериментов с разными газами на одной вакуумной установке.
В данной работе основное внимание уделяется изучению отраженных от поверхности потоков атомов и молекул. Такой подход характерен при теоретическом исследовании динамики столкновения моноэнергетических атомов и молекул газа с обтекаемыми поверхностями [15, 16], что позволяет выявить основные качественные зависимости процесса от начальной энергии, массы атомов, параметров твердых поверхностей и т. д. Этот подход использовался также в [10, 17, 18] при анализе экспериментальных результатов взаимодействия молекулярного пучка азота с плоскими образцами из различных материалов. Экспериментальная часть настоящей работы заключается в измерениях компонентов силы, действующей на плоскую пластину, с помощью трех компонентных весов поплавкового типа или с помощью однокомпонентных крутильных весов. В качестве рабочего газа использовался молекулярный азот (N2), гелий (Не), неон (№) и аргон (Аг), а в качестве образцов — плоские круглые модели, изготовленные из алюминий-магниевого сплава АМг6 (анодированного, АМг6(а), и химически полированного, АМг6(хп)), стекла, полированной латуни, золоченой латуни, нержавеющей стали, золоченой нержавеющей стали.
1. УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные исследования взаимодействия высокоскоростных свободномолекулярных пучков газов с поверхностью модели проводились в вакуумном стенде ВАТ-103 [5, 8]. Схема стенда с сопловым газодинамическим источником приведена на рис. 1. Смесь газов через расходомеры 1 поступает в форкамеру 2, в которой осуществляется ее нагрев высокочастотным разрядом. Из форкамеры газ через звуковое сопло истекает в предскиммерную камеру 3. В этой камере с помощью скиммера 4 производится формирование рабочего потока. Газ, не прошедший в скиммер, откачивается высокопроизводительной бустерной вакуумной станцией. Давление газа в предскиммерной камере 10 5 — 10 3 тор. Далее поток газа попадает в рабочую камеру 5, которая соединена с высоковакуумной станцией, обеспечивающей давление остаточного газа в рабочей камере ~10 5 — 2 • 10 6 тор. В рабочей камере размещается экспериментальное оборудование: координатные механизмы 6, трехкомпонентные весы 7, прерыватель потока 8 и др. На столе координатного механизма установлены весы и насадок полного давления 9 с измерительной манометрической лампой 10. Испытуемый образец, или модель 11 — плоский диск диаметром 50 мм, закрепляется в центре платформы поплавка трехкомпонентных весов. Полый цилиндр 12 устанавливается на краю платформы поплавка. Поворотный стол координатного механизма позволяет попеременно вводить в поток модель, полый цилиндр и насадок полного давления. В целях снижения паров масел от вакуумных насосов в рабочей и предскиммерной камерах установлены низкотемпературные ловушки 13, 14 с температурой до -75°С в рабочей камере 13 и каскад из двух ступеней ловушек в бустерном тракте 14: первая ступень с температурой -30°, -40° и вторая ступень с температурой до -70°.
Й
7 А >
Ррк
10
12
ЕЕЕЗ-
Fx, Fy, Mz
1
V
х, у, а
1
=1
14
Рек
4
о о о о
2
Ро, Г
о о о о
О,
;Н2О
Рис. 1. Схема вакуумного стенда ВАТ-103
13.5 МГц 30 кВт
Не, №, Аг, N2
Режимы работы стенда ВАТ-103 с использованием различных газов приведены ниже в таблице, р0, Т0 — давление и температура газа в форкамере; О — расход газа через сопло; V о — средняя скорость потока в рабочей камере стенда; J — плотность потока газа на модель.
1
3
7
1
Газ Р0 = тор Г, К О , мг/с Ко, км/с 7 с
50 - 100 150 - 200 О о О О О О со 40 •І- -1- О о о о ш о 15 10 - 25 1.2 - 2 4 - 4.2 1021
Аг + О2 50 - 100 2000 - 3000 8 + (1 - 1.5) 1.4 - 2.6 2 • 1020
N + О2 100 3000 7 + 1 2 - 2.6 2 • 1020
Не 100 - 200 900 - 4000 4 - 5 3 - О 1021
Не + О2 100 - 200 2000 - 4000 5 + 0.5 5.5 - 6.5 1021
Определение параметров рабочего потока (средней скорости Ух и плотности пх) проводится с помощью измерения сил, действующих на пробное тело, а измерения интенсивности потока молекул — насадком полного давления. Последний представляет собой цилиндрическую трубку с малым отверстием, присоединенную к ионизационной манометрической лампе, с помощью которой измеряются давления в двух положениях: когда входное отверстие насадка расположено вне потока (Р1) и когда отверстие обтекается потоком рабочего газа (Р2) (рис. 2). В случае однокомпонентного потока газа величина изменения давления в лампе Лр = Р2 - Р1 связана с интенсивностью падающего потока газа соотношением
Лр = 24%кГЦ!пх —, ы№ =^Ш^[ш. (1)
Для определения скоростного напора экспериментально измеряется сила, действующая на пробное тело с известным коэффициентом сопротивления:
Р V2
Р = ^ А*. (2)
На стенде ВАТ-103 в экспериментах в качестве пробного тела используется либо полый цилиндр с коническим дном (рис. 2), либо полый конус. Коэффициенты сопротивления пробного тела могут быть выражены в виде:
~ 1 к К к ^ _ 1 1~и„+
сх = 2 +—— +----л/2тс—= 2 +—2 + к\%—. (3)
5 2 Ко У т 5 2 Ко
СО * СО
а
и
С
і
Трубка
Ж
Ионизационная
манометрическая
Траектория
молекулы
Входное отверстие
а)
Рис. 2. Схема измерения параметров потока с помощью насадка полного давления (а) и пробного тела — полого цилиндра с коническим дном (б)
В формулах (2), (3) — площадь входного сечения; — температура поверхности
пробного тела; — тепловая скорость молекул, соответствующая этой температуре; т — масса
молекул газа; 5^ — скоростное отношение в набегающем потоке. Параметр к>1 в соотношении (3) определяет «факельность» выходящего из пробного тела потока газа, т. е. определяет отличие распределения выходящего из пробного тела потока от диффузного отражения. Величина к зависит от состава газа и скорости набегающего потока, материала и формы пробного тела. Для пробного тела заданной формы параметр к обычно устанавливается расчетным путем методом Монте-Карло при определенных предположениях о функции распределения по скоростям молекул, отраженных от элементов внутренней поверхности пробного тела [19, 20]. В данной работе пробное тело изготавливалось из сплава АМг6 (полый цилиндр с коническим дном). Для определения коэффициента сопротивления также применялся расчет методом Монте-Карло, причем результаты расчета корректировались с учетом полученной в экспериментах зависимости величины отраженного импульса от энергии.
2. ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
При свободномолекулярном обтекании выпуклых тел, если не интересоваться полем течения около обтекаемого тела, а ограничиться только определением теплового и/или силового воздействия, оказываемого газом на стенку, нет необходимости в знании функции распределения отраженных от поверхности частиц. Это воздействие в условиях обтекания, близких к равновесным, может быть выражено через коэффициенты аккомодации энергии ае и импульса :
Е - Е Р - Р Р - Р
л^г ± т -1 пг _ * ті тг
ае =^---------ТТ", °п =-----------—, ат=-
Еі- к
Р - Р
т пк
Рт,
(4)
При сильно неравновесных условиях обтекания, например, в условиях движения летательных аппаратов в верхней атмосфере Земли, силовое воздействие удобнее определять через коэффициенты обмена импульсом [15, 21]:
Р + р р + р
а = пі пг а = ті тг
п ~ ъ ’ т _ "
Р
Рт,
(5)
Величины ап, ат определяют полный импульс, переданный элементу поверхности обтекаемого тела набегающим потоком газа. В формулах (4), (5) Е], Ег — энергия, приносимая на элемент поверхности падающими и отраженными потоками молекул; Рпг-, Рпг, РТ{, РТГ — нормальная и тангенциальная компоненты импульса падающего (/) и отраженного (г) потоков; Рпм,, Ек — нормальный импульс и поток энергии отраженных частиц при условии, что их функция распределения — максвелловская, соответствующая температуре стенки. Неизвестными
величинами в (5) являются импульсы отраженных потоков Рпг, Ртг. Соответствующие безразмерные параметры можно ввести следующим образом [16, 18]:
Р Р
Р_ пг О _ тг
п - Р ’ Рт - Р ’
Р Р (6)
Р _Р00080, Ро _р^2(1 +1/252 ).
Здесь рот, Ух, 5^ — плотность, средняя скорость и скоростное отношение в падающем
на поверхность потоке газа. Введенные таким образом величины Рп и Рт определяют среднее
значение компонент импульса, приходящихся на одну отраженную молекулу. Величины Рп и Рт определяются через измеряемые в ходе эксперимента силы [22]:
ехц1 Л« Ъ 1 сх Лч1 Ъ 1
Рп _ ^ -0080, Рт_8Ш0- х,<* -. (7)
2Лт Ъл 008 0 2Лт ^ 008 0
Здесь Ъп, — силы, действующие на модель и на пробное тело; Лт — площадь
модели. Величина относительного нормального импульса Рп всегда положительная, что касается величины тангенциального импульса Рт, то ее знак зависит от направления отраженного потока:
если молекулы отражаются в направлении движения падающего потока (квазизеркальное отражение), Рт > 0;
если молекулы отражаются в направлении, обратном направлению движения падающего потока, Рт < 0 .
В случае диффузного отражения молекул от поверхности с температурой Тм,
ГПГ кТ Л1/2
Рт_ 0, Рп№Т, Ех)_±- Т . (8)
2 V Е<» )
Отсюда следует, что величина впм, не зависит от угла падения молекул на поверхность.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1. НОРМАЛЬНОЕ ПАДЕНИЕ
Результаты измерения импульса отраженных потоков в зависимости от энергии и рода (массы) молекул газа и материала модели при нормальном падении потока на поверхность приведены на рис. 3, 4. О погрешности измеренных величин можно судить по разбросу экспериментальных данных. Как следует из рис. 3, 4, погрешность эксперимента может достигать 10 — 15%. В основном все приведенные ниже экспериментальные данные получены с помощью трехкомпонентных весов поплавкового типа, позволяющих измерять силы порядка 1 мГ и более. На рис. 3, б приведены данные, полученные с помощью однокомпонентных крутильных весов, дающие возможность измерять силы до десятых долей миллиграмма. Можно отметить меньший разброс экспериментальных данных, полученных в этом случае. На рисунках также дана зависимость от энергии относительного нормального импульса Рп№ (Т№, Е) для случая диффузного отражения потока с температурой, равной температуре модели. Линии на рисунках, проходящие через экспериментальные точки, соответствуют зависимости вида
Р
_ ____1
п, аррг
(*
1 + а (1 - е
(9)
Параметры а, Ь являются функциями рода газа, материала модели и, возможно, зависят
от диапазона энергии, в котором получены экспериментальные данные. Эти зависимости характеризуют основную тенденцию изменения Рп от энергии потока, а именно — с увеличением
Рис. 3. Зависимость относительного нормального импульса рп от энергии молекул газа для моделей из сплава АМг6 и стекла. Обозначения молекулярного состава потока газа (на всех графиках):
1 — гелий; 2 — неон; 3 — аргон; 4 — азот; 5 — данные работы [11] (рис. 3, а)
Рис. 4. Зависимость относительного нормального импульса Рп от энергии молекул газа для моделей из нержавеющей стали (а), латуни (б) и золоченой поверхности латуни (в) (обозначения — как на рис. 3)
энергии потока величина относительного нормального импульса уменьшается. Важность выявления такой зависимости определяется возможностью получения оценок для величины Рп в случаях, когда нет экспериментальных данных при заданной величине энергии потока (или скорости полета летательного аппарата).
Полученные данные показывают также, что величина Рп зависит от рода газа. Общая тенденция такова: с уменьшением массы молекул газа величина Рп возрастает. Такая тенденция соответствует теоретическому анализу динамики столкновения молекул газа с атомарно гладкой поверхностью [15, 16, 23], в котором одним из основных параметров является величина отношения массы молекулы газа Мё к массе атома твердого тела М8. При Мё/М8 ^ 1 влияние этого
параметра уменьшается. Эта тенденция просматривается и в полученных экспериментальных результатах, в которых влияние молекулярных масс для неона, азота и аргона на величину Рп не столь существенно, как для гелия. Если полагать, что поверхностные слои моделей из анодированного сплава АМг6 и стекла состоят из молекул А12О3 и SiO2 соответственно, то отношение массы неона и средней массы поверхностных атомов близко к единице, а в случае аргона — больше единицы.
На рис. 3, а приведены результаты работы [11], полученные интегрированием измеренной функции распределения отраженных атомов гелия по скоростям. В [11] эксперименты проводились с моделями из алюминия. С учетом погрешностей экспериментов и с учетом различия моделей, корреляция данных достаточно хорошая.
0.5
(3/7
0.4
0.3
0.2
0.1
г - N2 1 - X о 2 □ 3-Ш 4 —|-5- ф 6 — А ★
;■ ■ # Г+-
Ж \ о 8
\ с - \ о " Рии> . х X 'ч. X * — — О X п
в ■*4, _ Ф
. . . 1
0.8
0.6
0.4
0.2
" Аг (Аг+ )
В
< ► *
Т\ _~<э^ -х
у>ПЦ
1 - х
2 - +
3 - ♦
4 - *
5 - О
6 - Д
7 - о
8 - *
9 - ®
10-------
11-------
10
15 Е, эВ 20
0
10
20 Д эВ
Рис. 5. Зависимость импульса отраженных молекул азота от энергии потока газа при взаимодействии азота с поверхностями из алюминия и его сплавов:
1 — [24]; 2 — [25]; 3 — [18]; 4 — данная работа; 5 — [26] (ионы); 6 — [10]; 7 — диффузное отражение; 8 — аппроксимация (9), а = 1.75, Ь = 1, к1 = 0.1409
Рис. 6. Зависимость импульса отраженных атомов аргона от энергии потока газа при взаимодействии аргона с различными поверхностями:
1 — А1 [25]; 2 — лак [25]; 3 — Лг+ ^ А1 [27]; 4 — А1 (шерох) [28]; 5 — А (гладкий) [28]; 6 — слюда [28]; 7 — АМГ [29]; 8 — Аг+—> АМГ [13]; 9 — АМГ (данная работа); 10 — диффузное отражение; 11 — аппроксимация (9), а = 1.75, Ь = 1, к1 = 0.1409
Сопоставление полученных результатов с имеющимися в литературе данными о зависимости вп (Ех) для азота при энергии Ех< 20эВ для угла падения 0 = 0 показано на рис. 5. Материал поверхности образцов, в основном, алюминий или алюминий-магниевые сплавы. Там же приведена и зависимость импульса отраженных молекул при диффузном отражении с температурой поверхности Рп№ . Имеющиеся данные показывают довольно значительный количественный разброс, но тенденция уменьшения Рп при увеличении энергии прослеживается достаточно ясно.
Можно отметить, что в более широком интервале энергий, чем это показано на рис. 4, зависимость Рп (Ете) для взаимодействия азота с поверхностью алюминия (и его сплавов) представлена на рис. 5 соотношением (9) с параметрами а = 1.75, Ь = 1, к1 = 0.1409.
Экспериментальные данные по импульсу отраженных атомов при взаимодействии атомов и ионов аргона (Аг) с поверхностью алюминия, его сплавов и некоторых других материалов показывают те же тенденции изменения Рп (Ете), как и в случае азота (рис. 6). Отмечается
лишь более резкое снижение зависимости Рп (Ете) в области энергий Ех < 1 эВ. Также возможно приближенное представление зависимости Рп (Ете) соотношением типа (9) со значением констант а = 1.75, Ь = 0.2, к1 = 0.1409. Кроме данных о взаимодействии нейтральных частиц с поверхностями, на рис. 5, 6 приведены результаты взаимодействия соответствующих ионов с поверхностью. Некоторые из них (рис. 5 [27]) неплохо согласуются с результатами при взаимодействии нейтральных частиц, другие (рис. 6 [13, 27]) сильно отличаются. Как отмечается в [14], «несмотря на приводимые в ряде работ доводы об обоснованности замены нейтральных частиц ионами, прямых экспериментальных данных, подтверждающих эти доводы, нет».
3.2. ВЛИЯНИЕ УГЛА ПАДЕНИЯ 0
Приводимые ниже результаты (рис. 7 — 9) получены с помощью трехкомпонентных весов поплавкового типа с одновременным измерением нормальной и тангенциальной компонент сил, действующих на модели. Данные относятся либо к одному фиксированному значению энергии Е (эВ) пучка молекул, либо получены в нескольких экспериментах с различными энергиями. В последнем случае приводятся средние значения энергий <Е>, причем осреднение про-
водится в интервалах AE = ±0.05 0.1 эВ. Из представленных данных следует, что нормальный к поверхности импульс отраженных молекул слабо зависит от угла падения потока на плоскую модель, так что Рп «Рп (0). Такая закономерность была получена при теоретическом рассмотрении динамики рассеяния высокоскоростного пучка атомов газа на поверхности [15, 16, 30]. В теоретических работах поверхность была представлена геометрически ровной решеткой атомов
твердого тела и приближенное равенство Рп (0) « const выполнялось при углах падения 0 < 60°. При больших углах падения величина Рп уменьшалась (до нуля при 0 = 90°). Эти тенденции изменения величины нормального импульса отраженных атомов можно объяснить возможностью многократных столкновений атомов газа с атомами твердого тела при малых углах падения. При увеличении угла падения потенциальная поверхность взаимодействия атома газа с атомами твердого тела, определяемая энергией нормальной компоненты скорости падающего атома, становится все более пологой, что приводит к преимущественно однократному столкновению атома газа с атомом твердого тела при больших значениях прицельного параметра. В условиях эксперимента структура поверхности моделей может сильно отличаться от идеально ровной. На поверхности могут присутствовать адсорбированные молекулы остаточного газа (включая молекулы паров масел вакуумных насосов). Поэтому тенденции изменения величины Рп при больших углах падения могут отличаться от полученных теоретически для идеально ровных рядов поверхностных атомов твердого тела. Следует отметить хорошее согласование полученных в данной работе результатов по взаимодействию атомов гелия с поверхностью сплава АМг6(а) с результатами работы [11], в которой импульс отраженных атомов определялся интегрированием экспериментально полученной функции распределения отраженных частиц по скоростям (рис. 7, а). На рис. 8, б приведены данные работы [10], в которой изучалось взаимодействие потока азота (энергия молекул 1.47 эВ) с поверхностью стекла. Видно хорошее совпадение результатов для нормального импульса отраженного потока Рп при всех углах падения.
Результаты настоящей работы показывают, что при взаимодействии с поверхностями стекла и сплава АМг6 (анодированного или химически полированного) тангенциальный импульс Рх отраженных молекул всех рабочих газов слабо зависит от угла падения. В большинстве случаев абсолютная величина Рх существенно меньше величины нормального импульса Рп, а в случае взаимодействия гелия, неона, азота с поверхностью сплава АМг6 величина Рх близка к нулю. Этот результат согласуется с данными работы [11], в которой для взаимодействия атомов гелия с поверхностью из алюминия величина Рх « 0. Другой заметной тенденцией является увеличение доли квазизеркального отражения атомов неона, аргона и молекул азота с увеличением угла падения молекул газа на поверхность. Данные [10] хорошо согласуются с результатами настоящей
а) б) в)
Рис. 7. Зависимость компонент отраженного импульса молекул при взаимодействии с поверхностью из сплава АМг6(а):
а — гелий: 1 — <Е> = 0.24 эВ, 2 — 0.4, 3 — 0.58, 4 — Е = 1 эВ [11]; б — 1 — неон <Е> = 0.57 эВ, 2 — азот <Е> = 1.53 эВ;
в — аргон: 1 — Е = 0.5 эВ, 2 — <Е> = 0.9 эВ
Рис. 8. Зависимость компонент отраженного импульса молекул при взаимодействии с поверхностью из стекла:
а — гелий: 1 — <Е> = 0.4 эВ; б — 1 — неон <Е> = 0.47 эВ, 2 — азот <Е> = 1.78 эВ; 3 — азот Е = 1.47 эВ [10]; в — аргон: 1 — Е = 0.31 эВ, 2 — <Е> = 0.49 эВ, 3 — <Е> = 0.71 эВ, 4 — <Е> = 0.56 эВ
0,8
0.6
0.4
0,2
-0.2
а)
Не - Лат унь
і
*
■
■ Рт ' ъ 1 ►
0.8
0.6
0.4
0.2
о:«-
20
40
60 0 80
-0.2
б)
Рд . .
Ые - Сталь
д.—•
1 *
2 *
20
40
60 @ 80
-о.;
в)
Ат - Зол< гго
► —*— І ч 1
Рх ^Х-
20 40
60 0 80
Рис. 9. Зависимость компонент отраженного импульса молекул при взаимодействии с поверхностью латуни (а), нержавеющей стали (б), золоченой латуни (в):
а — гелий: 1 — <Е> = 0.425 эВ; б — неон: 1 — Е = 0.34 эВ, 2 — <Е> = 0.485 эВ; в — аргон — <Е> = 0.8 эВ
работы для тангенциального импульса Рх отраженных потоков при углах падения 0 < 45° (рис. 8, б). При больших углах падения величины Рх, полученные в [10], превышают значения данной работы. Причиной такого расхождения могут быть разные условия проведения эксперимента и разная структура поверхности образцов (в [10] поверхность была образована в результате покрытия полимерной пленки каптона молекулами SiO2). Что же касается теоретических (расчетных) исследований, то для гладких поверхностей величина тангенциального импульса отраженных молекул близка к значению при зеркальном отражении и существенно превышает величины Рх, полученные в эксперименте. Это указывает на сильное отличие идеальных поверхностей, используемых в расчетах, от реальных.
Анализ полученных результатов показывает возможность приближенного представления в исследованном диапазоне углов падения 0 зависимостей Рп (0) и Рх (0) линейными соотношениями
Рп = Сп + dnQ, Рт= <6,
(10)
коэффициенты в которых являются функциями энергии, состава потока газа и материала мишени. Исключением является зависимость Рх (0) при взаимодействии атомов аргона с золоченой поверхностью латуни (рис. 9, в), для которой линейная аппроксимация возможна при углах падения 0 < 60°. Линейные зависимости, приведенные на рис. 6 — 8, получены на основе экспериментальных данных методом наименьших квадратов.
Как и в случае нормального падения, о погрешности измеренных величин можно судить по разбросу экспериментальных результатов, приведенных на рис. 7 — 9. На некоторых графиках указана погрешность измеряемых величин. Как следует из приведенных данных, в случае измерения нормального импульса отраженных молекул погрешность эксперимента может достигать 10 — 15%. Погрешность возрастает с увеличением угла падения из-за уменьшения величины измеряемой силы. Разброс в значениях тангенциального импульса Рх по абсолютной величине примерно совпадает с разбросом экспериментальных данных для нормального импульса Рп . Однако относительная величина погрешности определения Рх выше, поскольку величины тангенциального импульса близки к нулю.
Представленные результаты по взаимодействию высокоскоростных свободномолекулярных потоков молекул азота и атомов инертных газов с твердыми поверхностями, полученные в вакуумной аэродинамической установке ВАТ-103 ЦАГИ, дают возможность сформулировать тенденции зависимости передаваемого твердому телу импульса от параметров задачи.
1. При нормальном падении потока на поверхность переданный поверхности импульс при заданной энергии молекул тем больше, чем меньше молекулярный вес газа.
2. При нормальном падении потока газа на поверхность величина переданного твердому телу импульса Рп уменьшается при увеличении энергии молекул. Приближенно зависимость
Рп (Ете) может быть представлена следующим выражением:
Параметры кь а, Ь являются функциями вида (массы) газа и свойств поверхности.
3. Нормальный к поверхности импульс отраженных молекул слабо зависит от угла падения потока на плоскую модель. Этот результат получен для всех исследованных пар «газ — поверхность».
4. При взаимодействии с поверхностями стекла и сплава АМг6 (анодированного или химически полированного) тангенциальный импульс отраженных молекул также слабо зависит от угла падения. Абсолютная величина Рх существенно меньше величины нормального импульса Рп .
5. Зависимости от угла падения Рп (0) и Рх(0) приближенно могут быть представлены линейными соотношениями
коэффициенты в которых являются функциями энергии, состава потока газа и материала мишени.
6. Полученные экспериментальные данные по силовому воздействию высокоскоростных свободномолекулярных потоков инертных газов и азота с плоскими поверхностями различных материалов могут быть использованы для расчета аэродинамических характеристик космических летательных аппаратов на различных высотах полета в верхней атмосфере Земли.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 07-08-00500, 08-01-00556, 10-08-00804 и 11-01-00346).
1. Новиков Л. С. Современное состояние и перспективы исследований взаимодействия космических аппаратов с окружающей средой. Модель космоса: Научно-информационное издание в двух томах / Под ред. М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. — Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. — М.: КДУ, 2007, с. 10 — 38.
2. НадирадзеА. Б., Шапошников В. В., Хартов В. В. и др. Моделирование процессов формирования собственной внешней атмосферы и загрязнения поверхности космических аппаратов. Модель космоса. Т. 2. — М.: КДУ, 2007, с. 39 — 59.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рп = Сп + Лп0, Рт= <0,
ЛИТЕРАТУРА
3. Наумов С. Ф., Борисов В. А., Городецкий А. А. и др. Исследование материалов и покрытий внешних поверхностей космических аппаратов в условиях космического пространства. Модель космоса. Т. 2. — М.: КДУ, 2007, с. 1018 — 1039.
4. Hurlbut F. C. Gas surface interactions: recent observations and interpretations // Proc. 20st Intern. Symp. on Rarefied Gas Dynamics / Ed. Ching Shen. — Peking Univ. Press, Beijing, China, 1997, p. 355 — 367.
5. Омелик А. И. Экспериментальное моделирование аэродинамических условий полета орбитального летательного аппарата в свободномолекулярной области: Дис. на соискание степени доктора техн. наук. — ЦАГИ, 1983.
6. Гужова С. К., Новиков Л. С., Черни к В. Н., Скурат В. Е. Воздействие атомарного кислорода на материалы и элементы конструкции низкоорбитальных космических аппаратов. Модель космоса: Научно-информационное издание в двух томах / Под ред. М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. — Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. — М.: КДУ, 2007, с. 171 — 206.
7. Герасимов Ю. И., Крылов А. Н., Кури ленок А. О. и др. Результаты исследования влияния загрязнений от СВА на характеристики конструкционных материалов и терморегулирующих покрытий кораблей и модулей МКС. Физико-химическая кинетика в газовой динамике // http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2011-06-06-001.pdf1.
8. Баринов И. С., Жестко в Б. Е., Омелик А. И., Орлова З. Т. Аэродинамическая установка со свободномолекулярным потоком и высокой температурой торможения // ТВТ. 1973. Т. 11, № 3. с. 602 — 608.
9. Аксютенко А. Н., Акулов А. М., Басс В. П. и др. Вакуумная аэродинамическая установка ВАУ-2М // Тезисы докладов X Всесоюзной конференции по динамике разреженного газа. — М.: МЭИ, 1989, с. 213.
10. Cook S. R., H o f fb au e r M. A. Absolute momentum accommodation in gas-surface scattering // Proc. 20st Intern. Symp. on Rarefied Gas Dynamics / Ed. Ching Shen. — Peking Univ. Press, Beijing, China, 1997, p. 467 — 472.
11. Liu S-M., Sharma P. K., Knuth B. L. Satellite drag coefficients calculated from measured distributions of reflected Helium atoms // AIAA J. 1979. V. 17, № 12, p. 1314 — 1319.
12. Ерофеев А. И., Омелик А. И. Моделирование натурных аэродинамических условий полета в верхних слоях атмосферы // Труды ЦАГИ. 1975, вып. 1641, с. 40.
13. Шувалов В. А. О передаче импульса газовых ионов поверхности твердого тела // ПМТФ. 1984. № 3, с. 24 — 32.
14. Collins F. G., Knox E. C. Parameters of Nocilla gas/surface interaction model from measured accommodation coefficients // AIAA J. 1994. V. 32, № 4, p. 765 — 773.
15. Баранцев Р. Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями. — М.: Наука, 1975, 344 с.
16. Ерофеев А. И. Об обмене энергией и импульсом между атомами и молекулами газа и поверхностью твердого тела // ПМТФ. 1967. № 2, с. 135 — 140.
17. Musanov S. V., Nikiforov A. P., Omelik A. I., Freedlender O. G. Experimental determination of impulse transfer coefficients in hypersonic free molecular flow and distribution function recovery of reflected molecules // Proc. 13th Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics/Eds. Belotserkovskii et al. — 1982. V. 1, p. 669 — 676.
18. Freedlender O. G., Nikiforov A. P. Modelling aerodynamic atmospheric effects on the space vehicle surface based on test data // Proc. 2nd Int. Symp. Environmental testing for space programmes, held at ESTEC, 12 — 15 October 1993. (ESA WPP-066).
19. Закиров М. А., Омелик А. И. Измерение коэффициентов сопротивления тел простой формы в ускоренном свободномолекулярном потоке азота // Ученые записки ЦАГИ. 1974. Т. 5, № 4, с. 113 — 116.
20. Атаманенко А. В. Разработка, сопоставление и использование двух методов определения характеристик обтекания сложных тел молекулярным потоком газа: Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. — МАИ, 1990.
21. Коган М. Н. Динамика разреженного газа. — М.: Наука, 1967, 440 с.
22. Ерофеев А. И., Никифоров А. П. Экспериментальное исследование взаимодействия высокоскоростных свободномолекулярных пучков атомов и молекул с твердыми поверхностями // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Т. 6, HUhttp://www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-09-11-001.pdfUH.
23. Ерофеев А. И., Ж б а к о в а А. В. Расчет столкновения атома газа с поверхностью для различных моделей твердого тела // Ученые записки ЦАГИ. 1972. Т. 3, № 5, с. 40 — 46.
24. Boring J. W., H u m p h r i s R. R. Momentum transfer to solid surfaces by N2 molecules in the energy range 7 — 200 eV // Proc. 6th Intern. Symp. on Rarefied Gas Dynamics / Eds. Trilling L. and Wachman H. — 1969. V. 2, p. 1303 — 1310.
25. Doughty R. O., Schaetzle W. J. Experimental determination of momentum accommodation coefficients at velocities up to and exceeding Earth escape velocity // Proc. 6th Intern. Symp. on Rarefied Gas Dynamics / Eds. Trilling L. and Wachman H. — 1969. V. 2, р. 1035 — 1054.
26. Knechtel E. D., Pitts W. C. Normal and tangential momentum accommodation for Earth satellite conditions // Astronautica Acta. 1973. V. 18, № 3, р. 171 — 184.
27. Knechtel E. D., Pitts W. C. Experimental momentum accommodation on metal surfaces of ions near and above Earth-satellite speeds // Proc. 6th Intern. Symp. on Rarefied Gas Dynamics / Eds. Trilling L. and Wachman H. — 1969. V. 2, р. 1257 — 1266.
28. Abuaf N., Mars den D. G. H. Momentum accommodation of argon in the 0.06 to 5 eV range // Proc. 5th Intern. Symp. on Rarefied Gas Dynamics / Ed. Brundin C.L. — New York: Academic Press. 1967. V. 1, р. 199 — 210.
29. Басс В. П., Ефимов Ю. П., Петров О. В. и др. Экспериментальное исследование параметров взаимодействия гиперзвукового нейтрального потока аргона с обтекаемыми поверхностями // Труды VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженного газа. — МАИ, 1986, с. 99 — 103.
30. П я р н п у у А. А. Распределение отраженных частиц от кристаллов простой структуры. — В сб.: Численные методы в динамике разреженных газов. — Изд. ВЦ АН СССР, 1973, вып. 1, с. 163 — 175.
Рукопись поступила 3/XI2011 г.
