Surface catalytic recombination phenomena have received extensive attention since these phenomena are responsible for an additional heat transfer that space vehicle may encounter during the (re-)entry process. Better understanding and accurate prediction of these phenomena play an important role in the design process for thermal protection system. With this importance being considered, the present work aims to study the catalytic recombination process from various perspectives. The approaches considered in the present study include the following: catalytic boundary layer, experimental catalytic assessment, catalytic modeling, and molecular dynamics study.
Concerning the boundary layer study, the Goulard's theory, a well-known method to estimate the catalytic properties from heat transfer measurement, has been improved. The developed catalytic boundary layer theory takes into account various number of species in a gas mixture, diffusion phenomena, and different recombination efficiency for oxygen and nitrogen atoms. Two different major solution methods, matrix diagonalization and shooting methods, have been proposed to obtain the solution for the developed catalytic boundary layer. Further investigation includes the application of the developed theory to estimate the heat transfer in tertiary and quinary gas mixtures.
In the experimental approach, the catalytic assessment is conducted through heat transfer measurement at the shock tube end-wall using thin-film gauges. The driven gas mixture consists of 21\%O\textsubscript{2}-79\%Ar by volume. The experimental measurement emphasizes on the catalytic assessment for a SiC-coated surface. The effect of surface roughness and pre-heating treatment on the heat transfer is considered. The results reveal that a roughened surface, due to a higher number of surface site concentration, gives a higher heat transfer and thus bigger recombination efficiency value. On the other hand, the pre-heating treatment gives a lesser heat transfer, which results in lower recombination efficiency.
The first numerical approach applied to understand the catalytic process is performed through finite-rate catalytic modeling. Two different finite-rate catalytic modelings are considered: Norman's model and an updated finite-rate catalytic model. The updated catalytic model includes a more number of surface reactions that are not considered in the Norman's model. The parameters required for the model are obtained through curve-fitting process with the experimentally measured data as the input parameters. The modeling result shows that the required parameters depend highly on the chosen experimental data values and different sets of surface reactions may alter the dominant reaction at low wall temperature during the recombination process.
Yet another numerical approach to study the catalytic recombination process is achieved through the microscopical analysis using molecular dynamics (MD) study. By using a reactive force field (ReaxFF), the surface catalytic recombination process is modeled with a fixed influx boundary condition. Specifically, the importance of argon atom in the oxygen recombination process is studied through this microscopical study. By varying the argon gas pressure near the surface while keeping the oxygen gas pressure constant, the importance of argon gas in recombination process is investigated. It is observed that the argon gas does not exhibit a major influence on the oxygen recombination process on the silica surface.
표면 촉매 재결합 현상은 우주 비행체의 재진입 과정에서 추가적인 열을 발생시키는 것으로 알려져 있어, 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 현상에 관한 이해 및 정확한 예측은 열 차폐 시스템 설계 과정에서 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 위와 같은 중요성을 고려하여 다양한 관점에서 촉매 재결합 현상을 연구하고자 한다. 본 연구는 촉매 경계층 이론, 촉매 반응에 대한 실험적 평가, 촉매 모델링, 분자 동역학을 이용해 수행되었다.
경계층 이론에 관한 이론인 Goulard 이론은 열전달 측정을 통한 촉매 특성 평가로 널리 알려져 있다. 본 연구에서는 이 이론을 기반으로 다양한 기체 화학 종, 확산 현상, 그리고 산소 및 질소 원자의 상이한 촉매 반응 계수를 고려할 수 있도록 발전시켰다. 본 연구에서는 발전된 촉매 경계층 이론의 해를 얻기 위해 행렬의 대각화와 사격법을 제안하였다. 이에 더해, 3차및 5차 기체 혼합물에 본 연구에서 개발한 이론을 적용하여 열전달을 예측하는 연구도 수행되었다.
실험적 접근에서는 박막 게이지를 이용해 측정된 충격파관 끝단에서의 열전달을 통해 촉매 반응을 평가하였다. 저압관에 사용된 기체 혼합물은 체적 분율 21\%의 산소와 79\%의 아르곤 기체가 사용되었다. 실험은 SiC 코팅된 표면에서의 표면 촉매 반응 평가에 중점을 뒀다. 표면 조도 및 사전 가열이 열전달에 미치는 영향또한 고려되었다. 그 결과, 표면 조도가 높을 수 록 증가된 표면 위치 농도수로 인해 열전달이 증가하며, 높은 촉매 반응 계수를 가짐을 확인하였다. 반면 사전 가열은 열전달을 감소시키며, 낮은 촉매 반응 계수를 보였다.
촉매반응에 대한 이해를 위한 수치적 접근법으로 유한 촉매 모델링이 수행되었다. 본 연구에서는 Norman의 모델과 개선된 유한 촉매 모델을 고려하였다. 개선된 유한 촉매 모델은 Norman의 모델에서 고려되지 않은 다수의 표면 반응을 고려하였다. 모델에 사용된 변수들은 실험적으로 측정된 데이터를 곡선 맞춤하여 획득하였다. 모델링 결과 필요 변수들이 사용한 실험 데이터에 크게 의존적임을 확인하였고, 서로 다른 각각의 표변 반응들이 재결합 과정 중 저온 벽면에서의 지배적인 반응을 변화시킬 수 있음을 확인하였다.
촉매 재결합 현상을 연구하기 위한 다른 수치적 접근으로써 분자 동역학 연구를 이용한 미시적 해석을 수행하였다. ReaxFF를 이용해 표면 촉매 재결합 과정을 고정 유입 경계조건을 이용해 모델링하였다. 본 미시적 해석을 통해 산소의 재결합 과정에 아르곤 원자가 미치는 영향을 연구하였다. 표면 부근에서 산소의 기체 압력을 고정하고 아르곤 기체 압력에 변화를 주어 재결합 과정에서 아르곤 기체의 중요성을 조사하였다. 그 결과, 아르곤 기체는 실리카 표면에서의 산소 재결합 과정에 주요한 영향을 미치지 않음을 관찰하였다.
