Химическая физика, 2021, T. 40, № 12, стр. 23-28

ВВЕДЕНИЕ

Радиационные характеристики высокотемпературных газовых смесей, содержащих CO₂, представляют интерес для различных аэрокосмических приложений. С одной стороны, их исследование необходимо при изучении процесса сгорания топлива и анализе выхлопных газов в двигательных установках. С другой стороны, СО₂ является основным компонентом атмосфер таких планет, как Марс и Венера, а радиационный нагрев космического аппарата (КА) во время его входа в атмосферу представляет собой одну из ключевых проблем [1]. Радиационная составляющая общего теплового потока к поверхности спускаемого аппарата в атмосфере Марса или Венеры играет важную роль при скоростях КА порядка 7 км/с и выше [2]. При этом излучение от частиц, образованных потоками диссоциированного СО₂, охватывает широкую область длин волн, поскольку некоторые частицы газовой среды излучают в вакуумном ультрафиолетовом, а другие – в инфракрасном спектральном диапазонах.

Основным инструментом для исследования физико-химических процессов, связанных с излучением ударно-нагретых газовых смесей, служат ударные трубы [3]. Экспериментальные данные, получаемые в ударных трубах, представляют существенный интерес как для аэрокосмических приложений, так и для фундаментальных исследований [4]. Основной массив данных по излучению ударно-нагретой смеси CO₂–N₂, моделирующей атмосферы Марса и Венеры, получен на электроразрядной ударной установке EAST (Electric Arc Shock Tube), эксплуатируемой в Исследовательском центре NASA Ames [5–9]. Аналогичные измерения были проведены в ударной трубе ADST (Arc Driven Shock Tube), функционирующей в ЦАГИ (Россия) [10]. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) эксплуатирует в настоящее время поршневую ударную трубу HVST (Hyper Velocity Shock Tube), изучая термохимические неравновесные явления и, в частности, излучение, испускаемое из сильно нагретой области за ударной волной в условиях, моделирующих атмосферу Марса [11]. Большой объем информации по радиационным характеристикам ударно-нагретых газов получен в детонационных ударных трубах МФТИ [12] и Института механики МГУ [13–16].

Развитие экспериментальной техники в последнее десятилетие позволяет получать более точные и детальные данные о параметрах высокотемпературных газовых потоков за фронтом ударной волны по сравнению с данными, полученными в предыдущие десятилетия. В настоящей работе представлены новые экспериментальные результаты по излучению ударно-нагретой смеси CO₂–N₂, моделирующей атмосферу Марса. Эксперименты проведены в модернизированной двухдиафрагменной ударной трубе DDST-M с детонационным инициированием сильных ударных волн, в которой за счет оптимального сжигания водорода в камере высокого давления удается получить более высокие скорости ударной волны, а также добиться практически полной повторяемости экспериментов.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Модернизированная двухдиафрагменная ударная труба DDST-M входит в состав экспериментального комплекса “Ударная труба” Института механики МГУ [17]. Она имеет цилиндрическую форму с внутренним диаметром 50 мм, в которой инициирование ударной волны осуществляется за счет детонационного сжигания в камере высокого давления стехиометрической смеси кислорода с водородом, разбавленной гелием. Экспериментальная установка состоит из трех секций: камеры высокого давления (КВД) длиной 1.55 м, промежуточной камеры (ПК) длиной 3.5 м и камеры низкого давления (КНД) длиной 3 м. В качестве диафрагмы между КВД и ПК используется медная фольга толщиной 300 мкм с насечками. При этом практически отсутствует увлечение в поток обрывков материала диафрагмы. Камера промежуточного давления заполнена гелием, а камера низкого давления – исследуемой газовой смесью. В качестве диафрагмы между ПК и КНД также используется медная фольга толщиной 400 мкм с насечками.

Модернизация исходной двухдиафрагменной ударной трубы DDST заключается во включении в ее конструкцию дополнительного элемента – форкамеры. Форкамера отделена от торцевой стенки трубы, на которой расположено поджигающее устройство, от основного объема КВД перфорированным диском, имеющим 19 сопловых микроотверстий. Наличие форкамеры повышает работоспособность продуктов горения гремучей смеси в первую очередь за счет ее более полного сгорания, а также за счет того, что часть смеси сгорает в энергетически наиболее выгодном режиме детонации Чепмена–Жуге. Это позволяет получать более высокие скорости ударной волны при прочих равных условиях. Дополнительно решается ряд технических проблем, таких как практически полная повторяемость выбранных режимов и защита поджигающего устройства от воздействия отраженной от диафрагмы ударной волны.

Ударная труба DDST-M оборудована двумя измерительными секциями, что позволяет в одном эксперименте определять временнóе и спектральное распределение излучения газа за фронтом ударной волны в ультрафиолетовом (УФ) и видимом (ВД) диапазонах. Схема системы регистрации излучения приведена на рис. 1. Главная измерительная секция, собранная на базе спектрографа B&M50, позволяет наблюдать панорамный спектр излучения в одном из спектральных диапазонов (200–420, 405–635 и 625–850 нм). Для регистрации излучения используется прибор с зарядовой связью (ПЗС) с электрооптическим преобразователем. Запуск ПЗС-камеры в экспериментах осуществляется от сигнала с пьезодатчика. Момент запуска контролируется на осциллографе с точностью не хуже 0.4 мкс.

Рис. 1.

Система регистрации излучения в УФ/ВД-диапазоне на ударной трубе DDST-M: 1–4 – зеркала, ФЭУ – фотоэлектронный умножитель, ПК – персональный компьютер, ПЭ – прибор с зарядовой связью с электрооптическим преобразователем.

Во вспомогательной секции спектральные измерения проводятся с помощью стробируемой ПЗС-линейки Hamamatsu, установленной на выходе спектрографа Horiba CP140-1824. Эта секция измерений позволяет наблюдать панорамный спектр излучения в спектральном диапазоне 350–1100 нм. Она также используется для проведения временны́х измерений в узком выделенном спектральном интервале. Измерения интенсивности в обеих секциях относительные, но их амплитуда в серии экспериментов, когда оптическая схема не перестраивается, может быть откалибрована в абсолютных единицах. Измерение скорости ударной волны в измерительном сечении осуществляется пьезодатчиками, расположенными на фиксированном расстоянии друг от друга.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных экспериментов получены данные по излучению смеси CO₂ (70%) и N₂ (30%), моделирующей атмосферу Марса, для двух комбинаций значений скоростей и начальных давлений ударной волны: V_УВ = 5.3–8.1 км/с, P₁ = 0.3 Торр и V_УВ = 5.4–6.8 км/с, P₁ = 1.0 Торр. Основной объем информации дают интегральные по времени развертки излучения (панорамный спектр) в интервале длин волн λ = 200–850 нм, который соответствует спектральному УФ/ВД-диапазону. Анализ подобных панорамных спектров позволяет выделить закономерности излучения ударно-нагретого газа на различных участках траектории спуска КА в зависимости от скорости ударной волны и начального давления газа.

На рис. 2 приведен панорамный спектр излучения ударно-нагретого газа при P₁ = 0.3 Торр и скоростях ударной волны около 7 км/с, что примерно соответствует второй космической скорости для Марса. Из анализа этого рисунка следует, что в спектральном диапазоне λ = 200–300 нм интенсивность излучения слабо зависит от скорости ударной волны. В этом диапазоне основное влияние на спектр оказывает молекулярное излучение, формирующееся в результате перехода CO (Α¹Π → → Χ¹Σ⁺), который называется четвертой положительной системой CO и обозначается как CO(4+) [18]. Результаты измерений на ударной установке EAST показывают, что вклад CO(4+) в общую интенсивность излучения для условий входа КА в атмосферы Марса и Венеры составляет порядка 5% [7]. В этом же спектральном диапазоне регистрируется излучение молекулы NO(β, γ, δ), а также второй положительной системы молекулы азота N₂(2+).

Рис. 2.

Панорамный спектр излучения ударно-нагретого газа при P₁ = 0.3 Торр в спектральных диапазонах λ = 200–420 (а) и 400–850 нм (б) при различных скоростях V_УВ ударной волны: 1 – 7.35 км/с, 2 – 6.94 км/с, 3 – 6.76 км/с, 4 – 7.58 км/с, 5 – 6.76 км/с, 6 – 6.58 км/с, 7 – 6.33 км/с.

В спектральном диапазоне λ = 300–450 нм интенсивность излучения в рассматриваемых условиях также слабо зависит от скорости ударной волны. Здесь основной вклад в излучение нагретого газа дает фиолетовая система полос цианистого радикала CN, которая формируется в результате перехода CN(Β²Σ⁺ → Χ²Σ⁺) с максимумами интенсивности при λ = 358, 386, 410 и 450 нм [19]. В окрестности длины волны λ = 386 нм локализуется также излучение первой отрицательной системы молекулярного иона ${\text{N}}_{2}^{ + }.$ В этом спектральном диапазоне наблюдается излучение радикала ОН (λ = 307–317 нм), наличие которого вызвано присутствием паров воды в исследуемой смеси. Пары воды образуются в толкающем газе при сжигании гремучей смеси в КВД, откуда они могут попадать в КНД. Вклад данного спектрального диапазона в общую интенсивность излучения составляет примерно 30% [7].

В спектральном диапазоне λ = 450–850 нм интенсивность излучения сильно зависит от скорости ударной волны. Здесь основной вклад в излучение дает система полос Свана молекулы C₂, формирующаяся в результате перехода C₂(d³Π_g → a³Π_u) и наблюдающаяся в интервале λ = 450–570 нм [20]. Как видно из рис. 2, излучение системы полос Свана C₂ играет заметную роль только при скоростях ударной волны выше 6 км/с. В данном спектральном диапазоне при скоростях ударной волны выше 5 км/с наблюдается также красная система полос цианистого радикала CN, которая формируется в результате переходе CN(A²Π → X ²Σ⁺) с максимумом интенсивности при λ = 790 нм.

Несколько иная картина наблюдается в панорамном спектре излучения, полученном при давлении газа P₁ = 1.0 Торр и изображенном на рис. 3. Здесь измерения проведены при более низких скоростях ударной волны (V_УВ = 5.1–5.8 км/с), что меняет поведение спектральных кривых по сравнению с данными, полученными при более высоких величинах V_УВ. В спектральном диапазоне λ = 200–300 нм интенсивность излучения практически на порядок ниже, чем в случае, изображенном на рис. 2, и сильно зависит от скорости ударной волны. Основной вклад в излучение вносит молекулярное излучение CO(4+), а также системы полос NO(β, γ, δ) и N₂(2+). В спектральном диапазоне λ = 300–450 нм интенсивность излучения также сильно зависит от скорости ударной волны и определяется в основном системой полос CN.

Рис. 3.

Панорамный спектр излучения ударно-нагретого газа при P₁ = 1.0 Торр в спектральных диапазонах λ = 200–420 (а) и 400–850 нм (б) при различных скоростях V_УВ ударной волны: 1 – 5.81 км/с, 2 – 5.43 км/с, 3 – 5.33 км/с, 4 – 5.21 км/с, 5 – 5.13 км/с, 6 – 5.13 км/с, 7 – 5.10 км/с.

В спектральном интервале λ = 450–850 нм наблюдается только фоновое излучение и линии излучения металлов. Появление атомарных линий Cu можно объяснить использованием медных диафрагм, раскрытие которых приводит к захвату мелкодисперсных частиц потоком газа за ударной волной. Излучение атомов Na, Li, K и Ca вызвано присутствием этих элементов в кварцевом стекле, из которого сделаны окна наблюдения. Как отмечалось в работе [21], при замене материала окон на MgF₂ интенсивность излучения этих линий уменьшается на порядок.

Рассмотренные выше особенности поведения интенсивностей излучения различных спектральных линий в зависимости от скорости ударной волны и начального давления удобно проиллюстрировать на примере пиковой интенсивности наиболее заметной линии CN с λ = 389 нм. На рис. 4 показано изменение данной величины при двух значениях давления: P₁ = 0.3 и 1.0 Торр. Видно, что в интервале значений скоростей V_УВ = 5.0–6.5 км/с пиковая интенсивность рассматриваемой линии резко растет, увеличиваясь на два порядка. При дальнейшем увеличении V_УВ кривые проходят через максимум при V_УВ = 7 км/с, и далее интенсивность начинает постепенно уменьшаться. Максимум интенсивности при P₁ = 1.0 Торр значительно выше соответствующей величины при P₁ = 0.3 Торр.

Рис. 4.

Зависимости интенсивности полосы молекулы CN на длине волны 389 нм от скорости ударной волны V_УВ и давления P₁ перед ударной волной: 1 – 0.3 Торр, 2 – 1.0 Торр.

Временнáя эволюция интенсивности излучения линии с λ = 389 нм CN при различных значениях начального давления и скорости ударной волны приведена на рис. 5. Как видно из этого рисунка, начальный этап процесса в интервале времени t от нуля до 1.5 мкс характеризуется сильным всплеском интенсивности излучения, что связано с неравновесностью протекания процесса [8]. Далее процесс переходит в равновесную стадию с последующим постепенным затуханием интенсивности излучения. Следует отметить, что в двух приведенных случаях максимальные интенсивности излучения примерно одинаковы, а длительность процесса при P₁ = 0.3 Торр в два раза короче, чем при P₁ = 1.0 Торр.

Рис. 5.

Временнáя зависимость интенсивности фиолетовой линии с λ = 389 нм цианистого радикала: 1 – P₁ = 0.3 Торр, V_УВ = 7.41 км/с; 2 – P₁ = 1.0 Торр, V_УВ = = 6.10 км/с.

Интересно сравнить результаты измерения спектральных характеристик смеси CO₂–N₂ в ударной трубе DDST-M с результатами других исследований. Как уже отмечалось выше, наибольшее количество информации по излучению ударно-нагретого газа, моделирующего атмосферу Марса и Венеры, получено в ударном тоннеле EAST. На рис. 6 проводится сравнение панорамных спектров, полученных на ударных установках DDST-M и EAST [9] примерно в одинаковых условиях. Видно, что обе спектральные кривые качественно схожи. Данные настоящей работы лежат несколько выше результатов измерений на установке EAST, что можно объяснить более высокими давлением и скоростью ударной волны в экспериментах на установке DDST-M. С другой стороны, смесь, исследованная в настоящей работе (70% CO₂ и 30% N₂), несколько отличается по составу от смеси, исследованной на ударной установке EAST (96% CO₂ и 30% N₂), что также влияет на измеренные спектральные характеристики газа.

Рис. 6.

Сравнение панорамных спектров в УФ/ВД-диапазоне для смеси CO₂–N₂, полученных в ударной трубе DDST-M при P₁ = 0.3 Торр, V_УВ = 6.76 км/с (1) и на ударной установке EAST при P₁ = 0.25 Торр, V_УВ = 6.60 км/с (2).

ВЫВОДЫ

1. Измерены панорамные спектры излучения смеси CO₂ (70%) и N₂ (30%), моделирующей атмосферу Марса, в интервале длин волн λ = 200–850 нм (спектральный УФ/ВД-диапазон) для двух комбинаций начальных давлений и скоростей ударной волны: V_УВ = 5.3–8.1 км/с, P₁ = 0.3 Торр и V_УВ = 5.4–6.8 км/с, P₁ = 1.0 Торр.

2. Идентифицированы основные спектральные полосы излучения и их зависимость от скорости ударной волны и начального давления газа.

3. Показано, что в интервале значений скоростей V_УВ = 5.0–6.5 км/с пиковая интенсивность наиболее заметной линии CN с λ = 389 нм резко растет (на два порядка). При дальнейшем увеличении V_УВ она достигает максимума при V_УВ = 7 км/с и далее начинает постепенно уменьшаться.

Работа выполнена при поддержке грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 20-08-00343, а также в рамках госзадания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации “Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах” (номер гос. регистрации АААА-А19-119012990112-4).