从冰和尘颗粒的超声波速度行驶的车辆损坏

洛克希德马丁SR-72超音照UAV概念。

在周围大气中，用冰晶和粉尘颗粒移动的车辆在周围大气中轰击，使表面材料易受损坏，例如侵蚀和溅射。伊利诺伊大学的研究人员在Urbana-Champaign学习了这一互动一个分子，以了解这个过程，然后缩放数据以使其与需要更大规模的模拟兼容。

博士生尼尔Mehta与Deborah Levin教授一起使用两种不同的材料，通常用于细长的身体外表面 - 光滑的石墨烯和粗糙的石英。在该模型中，这些材料被由氩原子和硅和氧原子组成的聚集体来攻击，以模拟撞击两个表面材料的冰和粉尘颗粒。这些分子动力学研究教导了它们粘在表面上的损坏，所做的损坏以及导致损坏的时间长度 - 所有在单个埃赫斯特罗姆的大小，基本上是原子的长度。

在光滑的石墨烯（A）中，碳原子在光纤中表示，并且硅和氧原子分别以黄色和红色表示石英（b）。

为什么这么小？Mehta表示，首先要查看“第一个原则”，以彻底了解冰和二氧化硅侵蚀对石墨烯和石英表面的侵蚀影响。但是那些模拟流体动力学的人使用几毫米米尺的长度 - 因此迫切需要缩放MD模型的物理。关于这项工作的兴奋是它是第一个在这个应用程序中这样做的。

“不幸的是，你不能只采取这个非常微小的埃斯特罗姆水平的结果，并在航空航天工程重新进入车辆计算中使用它，”Mehta说。“您不能直接从分子动力学跳转到计算流体动力学。它需要几个步骤。应用动力学蒙特卡罗技术的严格，我们以这种非常微小的规模拍摄了细节，并分析了主导趋势，以便更大的仿真技术可以在模拟程序中使用它们，这些程序模拟过度飞行中发生的表面过程的演变，如侵蚀，溅射，蚀。

尼尔A. Mehta，伊利诺伊大学航空航天工程学生。

“这些过程会发生什么速率，并且这些类型的损害发生的可能性是在之前没有使用过其他动力学蒙特卡罗或鳞片桥梁的关键特征，”他说。

根据Mehta的说法，这项工作是独一无二的，因为它纳入了气体表面相互作用和分子动力学模拟的实验观察，以创建可以应用于所有这些表面的“第一原理”规则。

Deborah A. Levin教授。

“例如，冰具有形成薄片，冰晶的趋势。它创造了一个分形图案，因为冰喜欢粘在另一冰上，所以更有可能在已经在表面上的冰颗粒凝结并产生类似的网格特征。虽然沙子只是狡猾。它没有任何偏好。所以一个规则是冰喜欢坚持其他冰。

“同样，为了降级，石墨烯的规则是在预先存在的损害旁边发生损坏，”Mehta说。“有几条规则，取决于您使用的材料，您实际上可以研究原子水平发生的情况到千分尺景观，然后使用结果在计算流体动力学中实现或任何长，大规模模拟。 “Mehta说。

这项工作的一个申请用于研究如何为纤细的车辆和小型卫星在100公里附近的海拔地区设计热保护系统。

该研究，“超声波边界中受损表面拓扑的多尺度建模”，由Neil A. Mehta和Deborah A. Levin撰写。它发表在化学物理学杂志。

参考：“超声边界中受损表面拓扑的多尺度建模”，由Neil A. Mehta和Deborah A. Levin，2019年9月30日，Chemical Physics.doi：
10.1063/1.5117834