CC BY
50
У Ч Е МЫ Е 3 А ПИСКИЦАГИ Т о м IV 197 3
№ 4
УДК 533.6.011.8:322
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ АККОМОДАЦИИ НОРМАЛЬНОГО ИМПУЛЬСА ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А. И. Омелик
С помощью измерений коэффициентов сопротивления круглых пластинок из алюминия, молибдена, никеля, серебра и вольфрама в свободномолекулярном потоке азота и гелия с энергией 1—2 эВ определены коэффициенты аккомодации нормального импульса в широком диапазоне отношения массы набегающей молекулы к массе атома поверхности.
I. Передача импульса твердой стенке в свободномолекулярном потоке зависит от многих параметров. Сюда относятся скорость потока V, отношение масс молекул газа и стенки ;а, угол падения молекул, присутствие адсорбированных молекул на поверхности. При расчете коэффициентов сопротивления тел в свободномолекулярном потоке влияние Этих параметров учитывается с помощью коэффициентов аккомодации нормального а„ и тангенциального ат импульсов, величины которых определяются экспериментально. Для аэродинамических приложений наибольший интерес представляет диапазон 1—20 эВ, соответствующий скорости молекул азота 3 — 12 км/с. Целью настоящей статьи является измерение коэффициентов аккомодации нормального импульса ап при энергии набегающего потока 2 эВ (для азота) и 0,7 эВ (для гелия). В качестве мишеней используются пластины из аллюминия, молибдена, никеля, серебра и вольфрама.
2. Методика эксперимента заключается в следующем. Пусть известен коэффициент сопротивления сх пластинки, расположенной поперек свободномолекулярного потока, имеющего скорость V и скоростное отношение Я. Определим, следуя [1], коэффициент аккомодации ап как отношение
Р-Рп ...
ап-- р___ р > ()
где Р, Р„ — поток импульса в набегающем потоке и в отраженном потоке соответственно; Рт — поток импульса в отраженном потоке, если бы молекулы отражались с максвелловским распределением, соответствующим температуре стенки Тт. Определенная таким образом величина ал связана с коэффициентом сопротивления сх следующим образом [1]:
4(1 +1/5*)-с,
2 — р + 1/52
(2)
где р = (1/1») У 2пкТт1т; т — масса молекул набегающего газа; £ — постоянная Больцмана.
Таким образом, зная коэффициент сопротивления сх, температуру модели Тт, скоростное отношение 5 и скорость потока V, можно определить величину ап. Необходимо отметить, что, поскольку величины р и 1/53 обычно малы, основной вклад в значение ап вносит величина сх, которая и должна измеряться с максимальной точностью.
3. Для проведения экспериментов использовался молекулярный источник газодинамического типа с высокочастотным подогревом [2]. Основные параметры источника (фиг. 1): давление торможения р0 = 4,67-104 Я/м2 (350 мм рт. ст.), температура торможения 7’о = 5100К, диаметр критического отверстия й*=--1,2 мм, диаметр отверстия в скиммере йс = 17 мм, давление в рабочей камере рр,к — = 6,67-10—3 ///м2 (5*10~5 мм рт, ст.), число Кнудсена, отнесенное к диаметру модели, Кп = 80, скоростное отношение 5 = 6, расстояния х1 = 31 см, хс = 5 см-Отношение Кп/5 = 12 > 1, т. е. моделируются натурные условия [1]. Интенсивность потока в месте измерения / = 2-1017 1/см2-с.
Аэродинамическое сопротивление пластинки измерялось с помощью маятниковых весов крутильного типа с точностью +2%. Скоростной напор определялся на основании измерения силы аэродинамического сопротивления цилиндрической полости [2); точность определения скоростного напора +2%. Таким образом, точность определения коэффициента сопротивления пластинки составляет +4%; такова же и точность определения коэффициента аккомодации.
Результаты эксперимента представлены на фиг. 2. Кружками обозначены результаты, полученные после двухчасовой откачки модели, квадратиками — после десятичасовой откачки. Линия 1 соответствует теории [3], рассматривающей взаимодействие атомов в кристаллической решетке в линейном приближении; 2 — теории [4], учитывающей влияние соседних атомов; линия 3 представляет расчеты [5], выполненные с учетом шероховатости поверхности.
Сравнение результатов эксперимента с теориями, рассматривающими поверхность как грань кристаллической решетки, показывает существенное расхождение между ними. Это связано с тем, что структура реальных поверхностей, используемых как в лабораторных, так и в натурных условиях, весьма далека от идеальной кристаллической структуры. Действительно, даже упрощенный учет шероховатости поверхности [5] приводит к существенному ослаблению зависимости коэффициента аккомодации ап и (л.. Такой вывод подтверждается результатами экспериментов, в которых используются потоки тепловых энергий (см., например, монографию [6], стр. 107).
Кроме того, различие может быть связано с тем, что на поверхности модели хемосорбируются молекулы набегающего потока и остаточного газа. Например, на поверхности из вольфрама может хемосорбироваться азот, образуя соединение с энергией связи 3,7 эВ [7], соизмеримой с энергией набе-
гающего потока. Как показано в работе [8], в этом случае нельзя пренебрегать влиянием адсорбированного слоя.
Таким образом, полученные результаты, по-видимому, отражают шероховатость поверхности и наличие хемосорбированного слоя. Заметим в заключение, что этими же свойствами может обладать и поверхность космического аппарата в натурных условиях.
ЛИТЕРАТУРД
1. Коган М. Н. Динамика разреженного газа. М., .Наука*, 1967.
2. Баринов И. С., Ж е с т к о в Б. Е., Омелик А. И., Орлова 3. Т. Аэродинамическая установка со свободномолекулярным потоком и высокой температурой торможения. .Теплофизика высоких температур", т. II. № 3, 1973.
3. Michels W. С. Accomodation coefficients of the noble gases and the specific heat of tungsten. Phys. Rev., v. 52, 1067, 1937.
4. Ерофеев А. И. Об обмене энергией и импульсом между потоком газа и поверхностью твердого тела. ПМТФ, 1967, № 2.
5. 'Ерофеев А. И. О влиянии шероховатости на взаимодействие потока газа с поверхностью твердого тела. Изв. АН СССР, МЖГ, 1967, № 6.
6. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. М., ,Мир“, 1967.
7 Э р л и х Г. Атомная адсорбция. В сб. .Взаимодействие газов с поверхностями*, М., ,Мир“, 1965.
8. Л е о н а с В. Б. Об обмене энергией при столкновении частиц с твердой стенкой. ПМТФ, 1963, № 6. ;
Рукопись поступила 15/IX 1972,
