10 September 2023, 12:30

Математическая модель ускорит проектирование теплозащиты космических аппаратов

При создании самолетов и космических аппаратов конструкторы используют гидродинамические модели, которые учитывают физические и химические процессы, в том числе реакции между газом и поверхностью твердого тела. Это крайне важно при проектировании систем теплозащиты, препятствующих перегреву спускаемых с орбиты космических аппаратов в плотных слоях атмосферы.

Ранее разработанные модели не совсем подходят для решения таких задач, поскольку рассматривают газ, не учитывая взаимного влияния колебаний его молекул и химических реакций в потоке и на твердой поверхности в сочетании с эффектом проскальзывания газа. Скольжение возникает при достаточной разреженности газа рядом со стенкой аппарата, что наблюдается в атмосфере на больших высотах. Поэтому исследователи пытаются создать новую модель, которая преодолела бы недостатки уже существующих.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) разработали математическую модель, которая согласованно учитывает эффект скольжения и неравновесные процессы, протекающие в месте контакта твердого тела и газа при быстром изменении внешних условий. Предложенные уравнения подробно описывают баланс числа частиц газа на поверхности тела при взаимодействии твердой и газовой фаз. Эти процессы важны для расчета тепла, подводимого к поверхности при спуске аппарата на планету.

На основе созданной математической модели авторы провели численное моделирование течения воздуха у поверхности из кварца, часто используемого для создания теплозащитных материалов. Оказалось, что на взаимодействие газа со стенками находящегося в нем объекта, например космического аппарата в атмосфере, сильнее всего влияет то, насколько газ разрежен. В частности, расчеты с помощью новой модели показали, что при спуске аппарата с орбиты на Землю на высоте 85 километров поток тепла на линии торможения на 25% ниже по сравнению с потоком, получаемым с использованием менее детальных моделей. В дальнейшем это поможет при расчете тепловых нагрузок на корпус устройства.

«Особенно актуальным становится детальное моделирование при проектировании передовых технологичных устройств, например космических аппаратов, спускаемых в атмосферы различных планет, ракетных двигателей и вакуумных установок. Наша модель может эффективно применяться в этих вопросах и при этом не требует больших вычислительных затрат. В дальнейших исследованиях мы планируем смоделировать течения у поверхности из более химически активного вещества, чем кварц, например металлов, так как для них тепловые потоки сильно увеличиваются», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Кустова, профессор Санкт-Петербургского государственного университета.

Исследование поддержано грантом РНФ и опубликовано в журнале Physics of Fluids.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Микроволновые разряды помогут управлять сверхзвуковыми летательными аппаратами
Физики и механики разработали теоретическую модель, описывающую процесс формирования нитевидных микроволновых разрядов в газах. В этом случае газ нагревается до температур порядка 830°С и выше, и в нем формируется большое количество заряженных и возбужденных частиц. Это явление можно использовать в аэродинамике и космонавтике, чтобы воздействовать на потоки газа вблизи летательных аппаратов и тем самым управлять полетом, поскольку эти структуры влияют на скорость и траекторию движения аппарата.
Cosmonautics
Mathematical modeling
Plasma Physics
Space
22 March 2024
Цифровые астроциты улучшили память нейросети на 20%
Ученые разработали первую в мире нейронную сеть, полностью построенную на принципах взаимодействия клеток реального головного мозга. Так, модель воспроизводит передачу сигналов не только между нервными клетками, но и между нейронами и астроцитами — вспомогательными клетками мозга. Эксперименты показали, что «подключение» астроцитов в работу нейросети улучшает ее способность «запоминать», то есть воспроизводить ранее полученную информацию, на 20%.
Cognitive Sciences
Mathematical modeling
Neural networks
30 January 2024
Микробы в вечной мерзлоте могут помешать резкому потеплению климата
Ученые выяснили, что высокое разнообразие микроорганизмов, населяющих зону вечной мерзлоты, может значительно снизить скорость потепления атмосферы у поверхности Земли. По мере таяния многолетнемерзлых грунтов микробы начинают выделять метан и, если видов бактерий мало, в определенный момент произойдет массовый выброс этого парникового газа. Высокое же видовое богатство приведет к меньшему — в масштабе нескольких градусов — нагреву воздуха планеты.
Geology
Mathematical modeling
Microbiology
13 December 2023
Новый геометрический метод позволит детальнее исследовать структуру кристаллов
Ученые разработали метод для наглядного анализа сложных кристаллических структур. Он заключается в том, чтобы представлять молекулы в виде многогранников — полиэдров, — по площадям граней которых можно количественно оценивать связи между атомами. Точные данные о строении кристаллов будут полезны для создания материалов с управляемыми свойствами, которые используются, в частности, для легких органических устройств. Например, уже сегодня предложены сенсоры движения воздуха, созданные на основе молекулярных кристаллов.
Crystallography
Mathematical modeling
Mathematics
14 October 2023
Учёные разработали модель растворителей для магний-ионных аккумуляторов
Физики из МФТИ и ОИВТ РАН показали, как корректно рассчитывать эффективность аккумуляторов из новых материалов методом компьютерного моделирования. Они предложили теоретическую модель взаимодействия проводящих ионов с окружающим растворителем и электродом. Методику можно использовать для поиска оптимальных растворителей и точного расчета характеристик аккумуляторов.
Electrochemistry
Mathematical modeling
Quantum Chemistry
31 August 2023
Матмодель сделает авто- и авиатренажеры точнее и быстрее
Адаптивная цифровая система управления повысит реалистичность симуляции и поможет уберечь устройства от поломок из-за перегрузок
Management
Mathematical modeling
Mechanical engineering
9 August 2023