超音速汽车你敢坐吗?空气中的尘埃颗粒,就能轰击损伤汽车表面!

超音速汽车你敢坐吗?高超音速行驶的车辆受到周围空气中冰晶和尘埃颗粒的轰击时,使得表面材料容易受到损害,比如如每次微小碰撞时都会发生侵蚀和溅射。


伊利诺伊大学香槟分校科学家对这种相互作用进行了研究,每次一个分子,以了解过程,然后放大数据,使其与需要更大规模的模拟兼容。博士生Neil Mehta与Deborah Levin教授一起研究了两种通常用于细长体外表面的不同材料——光滑的石墨烯和粗糙的石英。

在该模型中,这些材料受到由氩原子、硅原子和氧原子组成的聚集体轰击,以模拟冰和尘埃颗粒撞击两种表面材料。这些分子动力学研究让我们知道粘在表面上的东西,造成的损伤,以及造成损伤所需的时间,所有这些都只有一个埃大小,基本上就是一个原子的长度。为什么这么小?重要的是从“第一原理”入手,彻底了解冰和二氧化硅对石墨烯和石英表面的侵蚀作用。但模拟流体动力学使用的长度是几毫米微米到厘米,因此迫切需要扩大MD模型的物理性能。

这项研究令人兴奋的是,它是有史以来第一次在这个应用程序中这样做。不幸的是,不能仅仅从这个非常微小的埃级别获得结果,然后将其用于航空航天工程再入飞行器的计算。不能直接从分子动力学跳跃到计算流体动力学,它需要更多的步骤。应用动力学蒙特卡罗技术的严密性,在这个非常小的尺度上取得了细节,并分析了主导趋势,以便更大的模拟技术可以在模拟高超音速飞行中,发生的表面过程演变建模程序中使用它们,例如侵蚀、溅射、点蚀。

这些过程将以什么速度发生,这些类型的损害发生可能性有多大,这是其他动力学蒙特卡洛或规模桥梁之前没有使用过的关键特征。这项研究是独特的,因为它结合了气体-表面相互作用的实验观察和分子动力学模拟,以创建可应用于所有这些表面的“第一原理”规则。例如,冰有形成薄片,冰晶的倾向。它产生了分形图案,因为冰喜欢粘在另一块冰上,所以水蒸气更有可能凝结在已经在表面上的冰粒旁边,并创造出类似格子的特征。

而沙子只会散开,它没有任何偏好,所以一个规则就是冰喜欢粘在其他冰上。同样,对于降解,石墨烯的原理是,损伤更有可能发生在预先存在的损伤旁边。有几条规则,取决于使用的材料,可以实际研究从原子水平到微米级的情况,然后利用研究结果在计算流体力学或任何长期的大规模模拟中实施。这项研究的一个应用是研究如何为高度接近100公里的细长车辆和小卫星设计热保护系统,其研究成果现发表在《化学物理》期刊上。

博科园|研究/来自:伊利诺伊大学厄本那-香槟分校

参考期刊《化学物理》

DOI: 10.1063/1.5117834

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