Undersøgelse af overfladeskader på køretøjer, der kører med hypersonisk hastighed

Køretøjer, der bevæger sig med hypersonisk hastighed, bliver bombarderet med iskrystaller og støvpartikler i den omgivende atmosfære, gør overfladematerialet sårbart over for skader såsom erosion og sprut ved hver lille kollision. Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign studerede denne interaktion et molekyle ad gangen for at forstå processerne, derefter skaleret op dataene for at gøre det kompatibelt med simuleringer, der kræver en større skala.

Doktoranden Neil Mehta, der arbejdede med professor Deborah Levin, kiggede på to forskellige materialer, der almindeligvis bruges på de ydre overflader af slanke kroppe - et glat grafen og et grovere kvarts. I modellen, disse materialer blev angrebet af aggregater sammensat af argonatomer og silicium- og iltatomer for at simulere is- og støvpartikler, der rammer de to overfladematerialer. Disse molekylære dynamikundersøgelser lærte dem, hvad der sad fast på overfladerne, den skade, der er sket, og den tid, det tog at forårsage skaden - alt på størrelse med et enkelt angstrom, som er dybest set længden af ​​et atom.

Hvorfor så lille? Mehta sagde, at det er vigtigt at starte med at se på "første principper" for grundigt at forstå de erosive virkninger af is og silica på grafen og kvartsoverflader. Men dem, der simulerer væskedynamik, bruger længder, der er flere millimeter-mikrometer til cm-så det var presserende nødvendigt at opskalere fysikken i MD-modellerne. Spændingen ved dette arbejde er, at det var det første, der nogensinde gjorde det i denne applikation.

"Desværre, du kan ikke bare tage resultaterne fra dette meget lille angstrom -niveau og bruge det til beregninger af genindførselskøretøjer til luftfartsteknik, "Sagde Mehta." Du kan ikke direkte hoppe fra molekylær dynamik til beregningsvæskedynamik. Det tager flere trin. Anvendelse af stringensen af ​​kinetiske Monte Carlo -teknikker, vi tog detaljer i denne meget lille skala og analyserede de dominerende tendenser, så større simuleringsteknikker kan bruge dem i modelleringsprogrammer, der simulerer udviklingen af ​​overfladeprocesser, der opstår i hypersonisk flyvning, såsom erosion, sprut, gruber.

"I hvilken hastighed vil disse processer ske, og med hvilken sandsynlighed vil disse former for skader ske, var de vigtigste funktioner, som ingen anden Kinetic Monte Carlo eller skalaoverbygning har brugt før, " han sagde.

Ifølge Mehta, arbejdet er unikt, fordi det inkorporerede eksperimentelle observationer af gas-overflade-interaktioner og molekylære dynamiksimuleringer for at skabe en "første principper" -regel, der kan anvendes på alle disse overflader.

"For eksempel, is har en tendens til at danne flager, iskrystaller. Det skaber et fraktalt mønster, fordi is kan lide at holde sig til en anden is, så det er mere sandsynligt, at vanddampen kondenserer ved siden af ​​en ispartikel, der allerede er på overfladen og skaber en espalierlignende funktion. Hvorimod sand bare spredes. Det har ingen præference. Så en regel er, at is gerne holder sig til anden is.

"Tilsvarende for nedbrydning, reglen om grafen er, at der er større sandsynlighed for skader ved siden af ​​allerede eksisterende skader, "Sagde Mehta." Der er flere regler, afhængigt af hvilket materiale du bruger, at du rent faktisk kan studere, hvad der sker fra atomniveau til et mikrometerlandskab, brug derefter resultaterne til at implementere i beregningsvæskedynamik eller en hvilken som helst lang, stor simulering, "Sagde Mehta.

En ansøgning til dette arbejde er til forskning i, hvordan man designer termiske beskyttelsessystemer til slanke køretøjer og små satellitter, der befinder sig i højder nær 100 km.

Studiet, "Multiskala modellering af beskadiget overfladetopologi i en hypersonisk grænse, "blev skrevet af Neil A. Mehta og Deborah A. Levin. Det er offentliggjort i Journal of Chemical Physics .