Исследователи из России создали математическую модель, способную точно описывать поведение плазмы и разреженных газов вблизи поверхности твердых тел. Ее можно использовать для оптимизации теплозащиты космических кораблей и других систем, работающих в подобной среде, сообщила пресс-служба Российского научного фонда (РНФ).

Результаты работы опубликованы в журнале Physics of Fluids.

«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», – заявила профессор Санкт-Петербургского государственного университета (СпбГУ) Елена Кустова, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Как отмечается в сообщении, уже существующие математические модели, описывающие поведение плазмы и разреженных газов, плохо подходят для оценки свойств защитных оболочек космических кораблей. Это связано с тем, что они не учитывают существование многих важных процессов, в том числе эффекта проскальзывания газов и того, как ионы и атомы в этих газах взаимодействуют друг с другом внутри потока, а также вступают в реакции с поверхностью твердых тел.

Для решения этой проблемы российские исследователи создали математическую модель, которая 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.

Используя эту модель, ученые просчитали характер взаимодействия воздуха с поверхностью из кварца, часто используемого для создания теплозащитных материалов. Эти расчеты помогли ученым уточнить то, как много тепла поглощает покрытие при спуске аппарата с орбиты на Землю. В частности, ученые обнаружили, что в процессе торможения на высоте в 85 км выделяется примерно на 25% меньше тепла, чем на то указывают результаты расчетов при помощи других математических моделей.

Подобные сведения, как отмечают исследователи, помогут конструкторам космических кораблей, возвращаемых капсул и прочих систем, испытывающих высокие тепловые нагрузки, подобрать оптимальную толщину, форму и другие свойства теплозащиты. Это сделает их более эффективными и надежными в эксплуатации, подытожили ученые.