Experimental investigation of interaction the high-velocity free molecular beams of atoms and molecules with solid surfaces
The interaction of free molecular beams of nitrogen molecules - N2, He, Ne, Ar – atoms with the surface of the flat plates were investigated experimentally in the vacuum facility VAT-103 TsAGI. The plates were made of an anodized aluminum magnesium alloy and glass. The dependency of the force acting on plate upon the velocity and molecular mass at normal incidence are studied.
The available experimental data upon the interaction of high-velocity free molecular nitrogen and argon beams with “engineering” surfaces are analyzed. Approximate representation normal component of the reflected flux moments against the energy of incident flow are obtained.
The flow of gas mixture through a nozzle into vacuum are investigated by the direct simulation Monte Carlo method. These calculations were carried out for operating conditions of VAT-103 facility. The enrichment factors for heavy components in He Ar and He O mixtures are obtained at small Reynolds number. These data were used for mixture flow diagnostics.
На вакуумном стенде ВАТ-103 ЦАГИ проведено экспериментальное исследование воздействия свободномолекулярных потоков азота, гелия, неона и аргона на поверхности образцов, изготовленных из анодированного алюминий – магниевого сплава АМг6 и стекла. Рассмотрено влияние скорости и состава потока на силу, действующую на плоскую пластину, при нормальном падении пучка на поверхность.
Проведен анализ имеющихся в литературе экспериментальных результатов, относящихся к взаимодействию высокоскоростных потоков газов с «инженерными» поверхностями. Для величины импульса отраженных потоков получены приближенные аналитические зависимости от энергии набегающего потока.
Методом прямого статистического моделирования решения уравнения Больцмана проведен расчет истечения струи смеси газов в вакуум при условиях, моделирующих рабочие параметры стенда ВАТ-103. Получены коэффициенты обогащения тяжелого компонента в смесях гелий аргон и гелий –атомарный кислород при малых числах Рейнольдса. Эти данные были использованы для диагностики параметров потока смеси газов.
1. Баранцев Р.Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями. М.: Наука, 1975, 344 c.
2. Ковтуненко В.М., Камеко В.Ф., Яскевич Э.П. Аэродинамика орбитальных космических аппаратов. Киев: Наукова Думка, 1977, 156 c.
3. Нусинов М.Д. Воздействие и моделирование космического вакуума. М.: Машиностроение, 1982, 176с.
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, pp. 355-367.
5. Новиков Л.С. Современное состояние и перспективы исследований взаимодействия космических аппаратов с окружающей средой. Модель космоса: Научно-информационное издание: В 2т./ 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.
6. Надирадзе А.Б., Шапошников В.В., Хартов В.В., Максимов И.А., Иванов В.В., Смирнов В.А. Моделирование процессов формирования собственной внешней атмосферы и загрязнения поверхности космических аппаратов. Модель космоса: Научно-информационное издание: В 2т./ Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. – Т.2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов.- М.:КДУ,2007, С.39 59
7. Гужова С.К., Новиков Л.С., Черник В.Н., Скурат В.Е. Воздействие атомарного кислорода на материалы и элементы кострукции низкоорбитальных космических аппаратов. Модель космоса: Научно-информационное издание: В 2т./ 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.
8. Ерофеев А.И., Омелик А.И. Моделирование натурных аэродинамических условий полета в верхних слоях атмосферы. Труды ЦАГИ, 1975, Вып. 1641, С. 40.
9. Баринов И.С., Жестков Б.Е., Омелик А.И., Орлова З.Т. Аэродинамическая установка со свободномолекулярным потоком и высокой температурой торможения // Теплофизика высоких температур, 1973, Т.XI, №3, С. 602-608
10. Cook. S.R., Hoffbauer M. A. Absolute momentum accommodation in gas-surface scattering // Proc. 20st Intern. Symp. on Rarefied Gas Dynamics. Ed. Ching Shen, 1997, Peking Univ. Press, Beijing, China, P. 467-472.
11. Abuaf N., Marsden 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. Academic Press, New York, 1967, V. 1, P. 199 210.
12. Ерофеев А.И. Об обмене энергией и импульсом между атомами и молекулами газа и поверхностью твердого тела // ПМТФ,1967, № 2, С.135 140.
13. 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.
14. 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).
15 Омелик А.И. Экспериментальное моделирование аэродинамических условий полета орбитального летательного аппарата в свободномолекулярной области. Диссертация на соискание степени доктора техн. наук, ЦАГИ, 1983.
16. Атаманенко А.В. Разработка, сопоставление и использование двух методов определения характеристик обтекания сложных тел молекулярным потоком газа. Дисс. на соискание степени канд. техн. наук, МАИ, 1990.
17. Липин А.В., Титов В.А. Экспансионный стенд для градуировки вакуумметров // Вакуумная техника и технология, 1994, Т. 6, №4, С. 26 31.
18. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М., «Наука», 1967, 440 с.
19. Ерофеев А.И. Расчет столкновения атома газа с поверхностью для различных моделей твердого тела // Ученые записки ЦАГИ, 1972, Т. 3, №5, С. 40-46.
20. Liu S M., Sharma P.K., Knuth B.L. Satellite drag coefficients calculated from measured distributions of reflected Helium atoms // AIAA Journal, 1979, V. 17, № 12, Р. 1314-1319.
21. Boring J.W., Humphris 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.
22. 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, P. 1035 1054.
23. Knechtel E.D., Pitts W.C. Normal and tangential momentum accommodation for Earth satellite conditions // Astronautica Acta, 1973, V. 18, № 3, P. 171 184.
24. Шувалов В.А. О передаче импульса газовых ионов поверхности твердого тела // ПМТФ, 1984, № 3, С. 24-32.
25. 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, P. 1257 1266.
26. 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.
27. Collins F.G., Knox E.C. Parameters of Nocilla gas/surface interaction model from measured accommodation coefficients// AIAA Journal, 1994, V. 32, №4, P. 765-773.
28. Nikifirov A.P., Skurat V.E. Kinetics of polyimide etching by supersonic beams consisting of atomic and molecular oxygen mixtures // Chemical physics letters, 1993, Vol. 212, № 1,2, P.43-49.
29. Anderson J. Separation of gas mixtures in free jet // AIChE J., November, 1967.
30. Боровков И.С., Санкович В.М. Сепарация бинарной газовой смеси в свободной струе, истекающей в вакуум // Ученые Записки ЦАГИ, 1970, Том 1, № 3, С. 109 – 113.
31. Sherman F.S. Hydrodynamical theory of diffusive separation in mixtures in free jet // Physics of Fluids, 1965, Vol. 8, No 5, P. 773 – 779.
32. Bird G.A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows. Oxford Univ. Press, Oxford, 1994.
33. Белоцерковский О.М., Яницкий В.Е. Статистический метод частиц в ячейках для решения задач динамики разреженного газа // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. I – 1975, Т. 15, №5, С. 1195-1208. II – 1975, Т. 15, № 6, С. 1553-1567.
34. Гусев В.Н., Ерофеев А.И. Интерференция косого скачка с головной ударной волной при обтекании цилиндра разреженным газом // Известия РАН, МЖГ, 2004, №5, С.171-180.
35. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд P. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961, 930 с.
