Penelitian mengarah pada pemodelan aliran hipersonik yang lebih baik – ScienceDaily

Penelitian mengarah pada pemodelan aliran hipersonik yang lebih baik – ScienceDaily

[ad_1]

Penerbangan hipersonik secara konvensional disebut sebagai kemampuan terbang dengan kecepatan yang jauh lebih cepat daripada kecepatan suara dan menghadirkan serangkaian tantangan teknis yang luar biasa. Sebagai contoh, ketika kapsul ruang angkasa memasuki kembali atmosfer bumi, ia mencapai kecepatan hipersonik – lebih dari lima kali kecepatan suara – dan menghasilkan suhu lebih dari 4.000 derajat Fahrenheit di permukaan luarnya. Merancang sistem perlindungan termal untuk menjaga astronot dan kargo tetap aman membutuhkan pemahaman di tingkat molekuler dari fisika rumit yang terjadi pada gas yang mengalir di sekitar kendaraan.

Penelitian terbaru di University of Illinois Urbana-Champaign menambahkan pengetahuan baru tentang fenomena fisik yang terjadi saat atom bergetar, berputar, dan bertabrakan di lingkungan yang ekstrim ini.

“Karena kecepatan relatif aliran yang mengelilingi kendaraan, kejutan terbentuk di depan kapsul. Saat molekul gas melewati kejutan, beberapa sifatnya berubah hampir seketika. Sebaliknya, yang lain tidak punya cukup waktu untuk menyesuaikan diri. perubahan mendadak, dan mereka tidak mencapai nilai kesetimbangannya sebelum tiba di permukaan kendaraan. Lapisan antara shock dan pelindung panas kemudian ditemukan di nonequilibrium. Ada banyak hal yang belum kita pahami tentang reaksi yang terjadi pada aliran jenis ini, “kata Simone Venturi. Dia adalah mahasiswa pascasarjana yang belajar dengan Marco Panesi di Departemen Teknik Dirgantara di UIUC.

Venturi menjelaskan bahwa mereka tidak dapat menggambarkan aliran dengan cara yang sama seperti aliran yang dapat dimampatkan dalam aerodinamika kecepatan rendah, yang melihat pada sifat curah aliran. Aliran hipersonik dipelajari pada tingkat mikroskopis untuk memahami bagaimana molekul dan atom berinteraksi dan, pada akhirnya, bagaimana memodelkan interaksi ini.

“Masalahnya semakin rumit dengan jumlah fenomena yang terjadi secara bersamaan – tidak ada yang hanya salah satunya,” kata Venturi. “Radiasi, misalnya, adalah konsekuensi dari keadaan elektronik yang tereksitasi. Pada saat yang sama, aliran berinteraksi dengan gas yang dihasilkan dari ablasi permukaan kapsul.”

Penelitian melihat nonequilibrium dari perspektif getaran dan rotasi molekul dalam aliran di sekitar kendaraan, atau rovibration, kata yang biasa digunakan dalam studi hipersonik dan fisika kuantum.

“Masukan ke simulasi kami berasal dari prinsip pertama fisika kuantum. Kami mempertimbangkan atom pada satu set jarak relatif, dan kami menghitung energi interaksi yang dihasilkan dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger,” kata Venturi. “Solusinya hanya datang pada titik-titik tertentu. Pembelajaran mesin membantu kami dalam memasang dan memproduksi permukaan yang berkelanjutan – yang kami sebut permukaan energi potensial.”

Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti mulai melihat jaringan saraf untuk menghasilkan permukaan di antara titik-titik ini.

“Kami menambahkan tingkat kerumitan lebih lanjut dengan memperluas jaringan saraf melalui pembelajaran mesin probabilistik,” kata Venturi. “Ini tidak hanya memungkinkan kami untuk mendeskripsikan interaksi atom secara lebih akurat, tetapi juga mengukur ketidakpastian yang memengaruhi objek-objek ini. Kami membuat distribusi permukaan, bukan hanya satu permukaan, karena prediksi yang keluar dari model ini tidak hanya nilai tunggal, tetapi distribusi nilai. Jadi, ini adalah prediksi dengan ketidakpastian di sekitar nilai. Hasilnya bukanlah jawaban pasti, tetapi distribusi jawaban. “

Venturi mengatakan setelah mereka mewakili energi interaksi antara molekul dan atom, mereka mensimulasikan miliaran tabrakan.

“Kami tahu apa yang terjadi pada sekumpulan kecil titik spasial, lalu kami menggunakan persamaan mekanika klasik. Persamaannya sama yang mengatur bertabrakan bola biliar. Perbedaannya adalah kami menggunakan interaksi ini, interaksi kuantum ini, sebagai gaya penggerak. Komplikasi ini diperlukan oleh masalah skala atom, karena partikel dapat merasakan satu sama lain bahkan ketika mereka jauh. Dengan sejumlah besar tumbukan, kita dapat memperoleh probabilitas bahwa reaksi tertentu akan terjadi. Kami menggunakan probabilitas reaksi ini dalam dinamika fluida komputasi dengan tujuan akhir memprediksi fluks dan merancang pelindung panas yang lebih aman, “katanya.

Meskipun mereka bukan yang pertama menggunakan pembelajaran mesin untuk membangun permukaan energi potensial, Venturi berkata, “kami adalah orang pertama yang mendapatkan ketidakpastian tentang kuantitas ini. Ini adalah cara untuk memvalidasi keakuratan pembelajaran mesin yang diterapkan pada konstruksi potensi ini. “

Dalam proyek penelitian kedua, Venturi mengatakan bahwa mereka sekarang mengetahui lebih banyak tentang dinamika disasosiasi dalam aliran hipersonik, yaitu bagaimana molekul memutuskan ikatannya dan menjadi dua atom yang terpisah sebagai akibat dari tumbukan yang kuat.

“Suhu ekstrim rezim hipersonik menghasilkan fisika yang sangat aneh,” kata Venturi. “Membuat mustahil untuk membedakan antara getaran dan rotasi molekul. Anda tidak dapat membaginya karena mereka sangat berpasangan. Kami menemukan bahwa efek ini memiliki konsekuensi penting dari mekanisme disosiasi.

“Ini menarik, tidak hanya dari perspektif kimia, tetapi juga dari sudut pandang teknik. Reaksi kimia yang terjadi setelah molekul gas dan atom bertabrakan melepaskan energi ke dalam aliran atau mengurangi energi darinya,” kata Venturi. “Jadi, jika kita ingin mengukur fluks panas yang menimpa pelindung panas, kita perlu memprediksi berapa banyak energi yang disimpan dalam aliran di sekitar kendaraan. Disosiasi molekul di atmosfer bukanlah sesuatu yang biasa kita amati di ruangan. suhu. Ini mulai relevan hanya pada suhu di atas 4.500 derajat Fahrenheit untuk oksigen dan 7.000 derajat Fahrenheit untuk nitrogen. Ini fenomena yang menarik, dan sekarang kami memahami lebih banyak tentangnya. “

Untuk Informasi Lebih lanjut silahkan Kunjungi : Lagu Togel

Author Image
adminProzen