Исследователи Dipartimento di Scienza e Ingegneria dello Spazio (DISIS) из Universe degli Studi di Napoli (Италия) применили FLUENT для моделирования вхождения космического аппа­рата в атмосферу Марса.

Условия марсианской атмосферы на Земле моделируются с помощью ударных труб, плазматронов, высокоэнтальпийных дуговых уст­ройств. Для решения этой задачи инженеры DI­SIS доработали стандартный симулятор входа космических аппаратов в атмосферу (в англ. — SPES), в результате чего он приобрел способ­ность моделировать существенные тепловые и гидродинамические нагрузки, характерные для входа космических аппаратов в атмосферу планет. SPES представляет собой плазменную аэродинамическую трубу мощностью 40 кВт, в которой можно воспроизводить температуры и газовые смеси различного состава, типичные для процесса входа космических аппаратов в атмосферу планет. В частности, для модели­рования марсианской атмосферы с удельны­ми энтальпиями, соответствующими условиям свободного полета, можно использовать смеси из углерода, кислорода и азота в разных мо­лекулярных формах. Температуры в установке SPES могут достигать 15000 K, а плотности — 0,005 кг/м3.

Распределение температуры вокруг космического зонда при входе в атмосферу Марса со скоростью 6 км/с

Была проведена верификация FLUENT на предмет корректного прогноза неравновесных эффектов, наблюдаемых при высоких темпера­турах в сверхзвуковых аэродинамических тру­бах типа SPES. Результаты численного модели­рования сравнивались с экспериментальными данными.

При нормальных условиях свободного по­тока марсианская атмосфера состоит в основ­ном из CO2 и N2. Но при движении объекта со сверхзвуковой скоростью на его передней (го­ловной) части образуется скачок уплотнения. Температура в этом месте резко повышается, что вызывает процессы диссоциации и рекомби­нации. В результате появляются еще шесть до­полнительных соединений. Подобные явления наблюдаются и при возвращении космических кораблей на Землю.

Атмосфера Земли состоит в основном из O2 и N2. Высокие температуры, возникающие при входе в плотные слои атмосферы, вызыва­ют реакции, в результате которых образуются и другие молекулы.

Модель FLUENT, имитирующая условия атмосферы Марса и SPES, включала восемь молекул (CO2, CO, C, O, O2, N2, N и NO), между которыми протекало четырнадцать реакций.

Большинство плазменных аэродинами­ческих труб не приспособлены для масштабных продувок макетов, поскольку в них невозможно одновременно воспроизвести все безразмерные параметры, например число Маха, Рейнольдса и Дамкелера. Поэтому при продувках в аэродина­мических трубах инженеры обычно интересуются только одним конкретным параметром потока. Например, для тестирования системы тепловой защиты обшивки летательного аппарата они мо­гут воспроизводить один и тот же тепловой поток и полную удельную энтальпию. Но даже в этом случае при равной полной энтальпии наблюда­ются различия между условиями свободного полета и продувки в аэродинамической трубе, вызванные неравновесными эффектами.

Если CFD-пакет способен корректно моде­лировать эти явления в масштабе лабораторного эксперимента, то его данные можно экстраполи­ровать для действительных условий свободного полета при входе в атмосферу.

При высоких температурах материал по­верхности зонда может выступать в роли ката­лизатора, способствующего рекомбинации ато­мов. Граничные условия, заданные во FLUENT, учитывали результаты экспериментальных из­мерений каталитических свойств различных материалов обшивки. Это позволило исследо­вателям решить одну из главных задач экспе­римента, которая состояла в оценке тепловых потоков в точке торможения при использовании в обшивке зонда материалов с различными ка­талитическими свойствами. Полученные ре­зультаты свидетельствуют, что каталитические свойства поверхности оказывают большое вли­яние на протекающие вблизи корпуса реакции в атмосфере, подобной марсианской.