Транспортные средства, движущиеся с гиперзвуковой скоростью, подвергаются бомбардировке кристаллами льда и частицами пыли в окружающей атмосфере, что делает материал поверхности уязвимым к повреждениям, таким как эрозия и распыление при каждом из мельчайших столкновениях. Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Кампейн изучали это взаимодействие по одной молекуле за раз, чтобы понять процессы, а затем масштабировали данные, чтобы сделать их совместимыми с симуляциями, которые требуют большего масштаба.
Доктор Нил Мехта, работая с профессором Деборой Левин, рассматривал два различных материала, которые обычно используются на внешних поверхностях плоских тел - гладкий графен и более грубый кварц. В модели, эти материалы подвергались воздействию агрегатов, состоящих из атомов аргона и атомов кремния и кислорода, для имитации частиц льда и пыли, попадающих на эти два материала покрытия. Эти исследования молекулярной динамики научили их тому, что прилипает к поверхностям, каковы нанесенные повреждения, и сколько времени ушло на то, чтобы нанести ущерб - все это в размере одного ангстрема, который в основном представляет собой длину атома.
Почему такой мелкий? Мехта сказал, что важно начать с рассмотрения "первых принципов", чтобы досконально понять эрозионное воздействие льда и пыли на графеновые и кварцевые поверхности. Но те, кто моделирует гидродинамику, используют длины от нескольких микрометров до сантиметров - поэтому срочно понадобилось масштабировать физику моделей MD. Волнение от этой работы заключается в том, что она была первой, кто сделал это в данном приложении.
"К сожалению, вы не можете просто взять результаты с этого крошечного уровня ангстрема и использовать их в расчетах аэрокосмической техники для входа в атмосферу", - сказал Мехта. "Вы не можете напрямую перейти от молекулярной динамики к вычислительной гидродинамике". Это требует еще нескольких шагов. Применяя точность кинетических методов Монте-Карло, мы взяли детали в этом очень маленьком масштабе и проанализировали доминирующие тенденции, чтобы более крупные методы моделирования могли использовать их в программах моделирования, которые симулируют эволюцию поверхностных процессов, происходящих в гиперзвуковом полете, таких как эрозия, брызги, точечная коррозия.
"С какой скоростью и с какой вероятностью эти виды повреждений будут происходить, являются ключевыми характеристиками, которые ни один другой кинетический Монте-Карло не использовал до этого", - сказал он.
По словам Мехты, работа уникальна тем, что в нее включены экспериментальные наблюдения за взаимодействиями газ-поверхность и моделирование молекулярной динамики с целью создания правила "первых принципов", которое может быть применено ко всем этим поверхностям.
"Например, лед имеет тенденцию к образованию хлопьев, кристаллов льда. Он создает фрактальный рисунок, потому что лед любит прилипать к другому льду, поэтому более вероятно, что водяной пар будет конденсироваться рядом с частицей льда, которая уже находится на поверхности, и создаст шпалерную черту. В то время как песок просто рассеивается. У него нет никаких предпочтений. Так что применим одно правило - лед любит прилипать к другому льду".
"Точно так же, для деградации, правило графена заключается в том, что повреждение более вероятно рядом с ранее существовавшим повреждением", - сказал Мехта. "Существует несколько правил, в зависимости от того, какой материал вы используете, что вы можете на самом деле изучить, что происходит от атомного уровня до микрометрического ландшафта, а затем использовать результаты для реализации в вычислительной гидродинамике или любом другом длительном, масштабном моделировании", - говорит Мехта.
Одна из областей применения этой работы заключается в проведении исследований по разработке систем тепловой защиты для тонких транспортных средств и малых спутников, находящихся на высоте около 100 км.
*Если Вас интересуют новости в мире науки и технологий, подписывайтесь на наш канал. Этим вы стимулируете нас продолжать писать дальше.