Плазма на активном участке полета

При сниженииспутника на активом участке полета ниже 80 км формируется континуальное обтекание. В этом случае возникает ударная волна. Воздух за ударной волной разогревается до температуры свыше 1000 К с максимумом до 3500 К. При таких высоких температурах теплозащитное покрытие в виде фенольного графита интенсивно разрушается. Возникает явление абляции. Продукты разрушения содержат преимущественно трехатомные молекулы углерода, которые обладают сродством к электрону ЕА = 2,5 эВ и поэтому с определенной вероятностью покидают поверхность спутника в виде отрицательных ионов. В результате у поверхности спутника возникает двойной электрический слой, внутри которого реализуется плазма с высокой концентрацией заряженных частиц соответствующая дуговому разряду. Расчет концентрации заряженных частиц для спускаемого аппарата в виде шара радиусом 1 м приведен на рис. 4. Если радиосвязь осуществляется в дециметровом диапазоне длин волн, то начиная с высоты 80 км, она полностью прекращается. Чтобы радиосвязь не нарушалась в дециметровом и сантиметровом диапазоне, есть две возможности: либо в двойной электрический слой ввести вещество с малой энергией ионизации (щелочные металлы), что резко снизит температуру плазмы и прекратится ионизация отрицательных ионов, либо на плазму двойного слоя наложить магнитное поле. Первая возможность более простая и поэтому была применена, но без особого обоснования. Рассмотрим каждую из этих возможностей применительно к конкретным условиям.

При вхождении искусственного спутника Земли в плотные слои атмосферы на высоте 50 км скорость полета ~ 6 км/с, а радиосвязь со спутником осуществляется на частоте f = 640 МГц, для которой критическая концентрация заряженных частиц равна 5,076·10¹⁵ Гц. Чтобы полностью радиосигнал проходил сквозь плазму, концентрация заряженных частиц в двойном электрическом слое должна быть на порядок меньше, т.е., 5,076·10¹⁴ м^-3. Реально концентрация заряженных частиц в двойном электрическом слое на высоте 50 км составляет м^-3 при температуре плазмы 3100 К. Плазменная частота равна Гц. Следовательно, частота 6,4·10⁸ Гц от плазмы с концентрацией м^-3 будет полностью отражаться. Для осуществления радиосвязи необходимо плазму просветлять, что практически и реализуется.

1. Просветление плазмы путем уменьшения ее температуры

Введение жидкокристаллического теплоносителя в переднюю полусферу спускаемого аппарата ИСЗ схематически показано на рис. 5. При континуальном обтекании в передней полусфере ИСЗ 1, движущегося со сверхзвуковой скоростью 4 возникает ударная волна 2. Прямой скачек уплотнения имеет вид окружности диаметром, равным размеру спускаемого аппарата. Отход ударной волны составляет ~ 17 см. В процессе впрыска жидкометаллического теплоносителя ударная волна спрямляется. Отход ударной волны несколько возрастает, а конус Маха увеличивается в размерах. Заметно возрастает сопротивление движению. Температура за ударной волной падает за счет увеличения плотности газа и за счет протекания эндотермических химических реакций. В этом заключается активная теплозащита для сверхзвуковых летательных аппаратов. Уменьшением температуры за счет увеличения плотности газа можно пренебречь, так как обычно впрыскивается небольшая порция постороннего вещества, что также приводит к сравнительно слабому отходу ударной волны от обтекаемого тела. Следовательно, охлаждение газа за ударной волной при активной теплозащите происходит в основном вследствие протекания эндотермических химических реакций. В авиации в качестве жидкометаллического теплоносителя применяется сплав натрия и калия. Масса калия 77,2% и масса натрия 22,8%. Такой сплав обладает температурой плавления минус 12,8⁰С и высоким коэффициентом теплопередачи. Чем это обусловлено?

В жидком состоянии при температуре плавления происходит разрыв связей между кластерными образованиями, а при температуре кипения кластерные образования распадаются на отдельные молекулы. В твердом состоянии натрий и калий образуют объемоцентрированную структуру. Такая структура формируется двухатомными молекулами. Стандартная энтальпия атомизации при температуре 25⁰С для натрия составляет 91,7 кДж/моль, а для калия 90,3 кДж/моль. При температуре 298 К и даже при температуре 3100 К распад двухатомных молекул Na₂ и К₂, которые обладают энергией диссоциации соответственно 0,75 и 0,5 эВ на отдельные атомы процесс весьма маловероятный. При разрыве объемоцентрированного кластера необходимо разрывать 8-мь пар связей между двухатомными молекулами. С учетом этого получаем, что разрыв связей между молекулами в кластере натрия и калия составляет 0,119 и 0,117 эВ, а в среднем на одну молекулу калия или натрия приходится ~ 0,059 эВ.

При температуре 3100 К ионизация происходит отрицательных ионов трехатомных молекул углерода. Чтобы степень ионизации уменьшилась на величину . Температура, при которой произойдет уменьшение степени ионизации на 2,54·10^-3, определится из формулы Саха

, (11)

где , EA = 2,5 эВ, k_Б - постоянная Больцмана, n_e. n_i, n_a – концентрация соответственно электронов, ионов и атомов.

На основании (11) уменьшение степени ионизации отрицательных ионов трехатомных молекул углерода до 2,54·10^-3 произойдет при температуре 1440 К. Эта температура выше температуры кипения натрия и калия. Поэтому кластеры натрия и калия не будут образовываться. Плотность воздуха за фронтом ударной волны на высоте 50 км кг/м³, (12)

где

Количество частиц в единице объема составит ~ 3,032·10²³ 1/м³. Каждая частица воздуха уменьшает свою кинетическую энергию на величину эВ, а количество молекул натрия или калия, которые обеспечат такое уменьшение энергии равно . Тогда величина массы теплоносителя, которая обеспечит уменьшение температуры до 1440 К,

кг. (13)

Здесь - средняя масса отдельной частицы теплоносителя, равная ~ 71 ат. ед. массы и м – отход прямой ударной волны от ИСЗ.