Molecular Dynamics Study of SiC Surface Morphology Evolution and Catalytic Performance under Atomic Oxygen Erosion

超低轨飞行器壁面受到高速原子氧来流侵蚀，会形成微粗糙结构，影响气体分子动量/能量适应及催化反应等气-固相互作用，进而使飞行器的精确气动设计遇到挑战。本文通过分子动力学方法模拟了SiC壁面受高速原子氧持续侵蚀直至形成稳定微观粗糙形貌的动态演化过程，探索了侵蚀产生的纳米尺度粗糙度对催化复合反应机制及化学能适应规律的影响。初步发现，从洁净状态到粗糙度稳定状态，壁面会经历七个阶段的演化，不同阶段壁面上的化学反应主导机制和主要影响因素不同，其中原子氧在壁面氧化层内的跳跃扩散是形成壁面微粗糙结构的重要机制。在此基础上统计了气-固反应中典型物理化学现象，计算了定量合理的催化系数和化学能适应系数。研究结果初步反映了纳米尺度粗糙度对化学能适应的影响，并分析了部分文献中催化数据存在较大差异的可能原因。本研究可加深人们对高速原子氧环境中复杂气-固相互作用的认识，并为卡门线附近超低轨飞行器的气动设计提供参考。