Для расчета тепловых нагрузок и прогноза ресурса многоразовой тепловой защиты нужны сведения фундаментального характера о процессах термохимического взаимодействия диссоциированных смесей с теплозащитными материалами. Среди них наиболее важными являются гетерогенные каталитические процессы, связанные с рекомбинацией атомов. Тепловые потоки к поверхностям с различными каталитическими свойствами могут различаться в несколько раз. Несмотря на то, что о существенном влиянии гетерогенной рекомбинации атомов на теплообмен при гиперзвуковых скоростях полета было известно уже в 50-е годы, механизмы и скорости процессов, определяющие взаимодействие газа с поверхностью, гораздо менее изучены по сравнению с кинетикой и скоростями гомогенных химических реакций. Сложность проблемы определения каталитических свойств поверхности обусловлена тем, что не существует прямых методов измерения коэффициентов поверхностной рекомбинации и аккомодации энергии рекомбинации.

В последние годы, по мере того как увеличивались возможности компьютерной техники, стали использоваться новые подходы, основанные на квантовой механике и молекулярной динамике. На основе квантовомеханических расчетов потенциалы взаимодействия для молекулярных систем могут быть определены с достаточно хорошей точностью. Использование этих данных позволяет существенно повысить эффективность методов молекулярной динамики при исследовании гетерогенной каталитических процессов. Такие подходы позволяют лучше понять механизм поверхностных реакций и оценить влияние различных микроструктур материалов на каталитические явления. При этом могут быть найдены коэффициенты скоростей элементарных поверхностных процессов, распределение энергии внутренних степеней свободы продуктов реакций, энергия обмена между поверхностью и химической системой.

В данной работе в рамках квазиклассического траекторного подхода разработан эффективный метод исследования процессов взаимодействия газовых смесей с каталитическими поверхностями, который реализован в вычислительном комплексе "MD Trajectory". Этот комплекс позволяет проводить расчеты с высокой точностью, что показало его тестирование на суперкомпьютерах РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова.

Проведено детальное исследование гетерогенной рекомбинации атомов кислорода на силиконизированных покрытиях SiO₂ и SiC. Рассчитаны коэффициенты рекомбинации и аккомодации энергии рекомбинации, распределение энергии по внутренним степеням свободы. Обнаружено хорошее согласие с расчетами других авторов и имеющимися экспериментальными данными. Показано, что за счет больших величин коэффициента аккомодации энергии рекомбинации поверхность SiC будет нагреваться сильнее, чем поверхность SiO₂ .