Los vehículos que se mueven a velocidades hipersónicas son bombardeados con cristales de hielo y partículas de polvo en la atmósfera circundante, lo que hace que el material de la superficie sea vulnerable a daños como la erosión y el chisporroteo con cada pequeña colisión. Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign estudiaron esta interacciónuna molécula a la vez para comprender los procesos, luego amplió los datos para hacerlos compatibles con simulaciones que requieren una escala mayor.
El estudiante de doctorado Neil Mehta que trabaja con la profesora Deborah Levin observó dos materiales diferentes que se usan comúnmente en las superficies exteriores de cuerpos delgados: un grafeno liso y un cuarzo más grueso. En el modelo, estos materiales fueron atacados por agregados compuestos deLos átomos de argón y los átomos de silicio y oxígeno para simular partículas de hielo y polvo que golpean los dos materiales de la superficie. Estos estudios de dinámica molecular les enseñaron qué se adhirió a las superficies, el daño causado y el tiempo que llevó causar el daño, todo enel tamaño de un solo angstrom, que es básicamente la longitud de un átomo.
¿Por qué tan pequeño? Mehta dijo que es importante comenzar observando los "primeros principios" para comprender a fondo los efectos erosivos del hielo y la sílice en las superficies de grafeno y cuarzo. Pero aquellos que simulan la dinámica de fluidos usan longitudes de varios milímetros de micrómetro.a cm, por lo que se necesitaba con urgencia ampliar la física de los modelos MD. La emoción de este trabajo es que fue el primero en hacerlo en esta aplicación.
"Desafortunadamente, no puede simplemente tomar los resultados de este nivel angstrom muy pequeño y usarlo en los cálculos de vehículos de reentrada de ingeniería aeroespacial", dijo Mehta. "No puede saltar directamente de la dinámica molecular a la dinámica de fluidos computacional. Se necesitavarios pasos más. Aplicando el rigor de las técnicas cinéticas de Monte Carlo, tomamos detalles a esta escala muy pequeña y analizamos las tendencias dominantes para que las técnicas de simulación más grandes puedan usarlas en programas de modelado que simulan la evolución de los procesos de superficie que ocurren en el vuelo hipersónico,como erosión, chisporroteo, picaduras.
"A qué velocidad sucederán estos procesos y con qué probabilidad ocurrirán estos tipos de daños fueron las características clave que ningún otro Kinetic Monte Carlo o puente de escala ha utilizado antes", dijo.
Según Mehta, el trabajo es único porque incorporó observaciones experimentales de interacciones gas-superficie y simulaciones de dinámica molecular para crear una regla de "primeros principios" que se puede aplicar a todas estas superficies.
"Por ejemplo, el hielo tiende a formar escamas, cristales de hielo. Crea un patrón fractal porque al hielo le gusta adherirse a otro hielo, por lo que es más probable que el vapor de agua se condense al lado de una partícula de hielo que ya está enla superficie y crea una característica similar a un enrejado. Mientras que la arena simplemente se dispersa. No tiene ninguna preferencia. Entonces, una regla es que al hielo le gusta adherirse a otro hielo.
"De manera similar, para la degradación, la regla sobre el grafeno es que el daño es más probable que ocurra junto al daño preexistente", dijo Mehta. "Hay varias reglas, dependiendo del material que esté usando, que en realidad puedeestudie lo que sucede desde un nivel atómico a un paisaje micrométrico, luego use los resultados para implementar en dinámica de fluidos computacional o cualquier simulación larga a gran escala ", dijo Mehta.
Una aplicación para este trabajo es la investigación sobre cómo diseñar sistemas de protección térmica para vehículos delgados y satélites pequeños que se encuentran a altitudes cercanas a los 100 km.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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