Hypersonische vlucht wordt gewoonlijk het vermogen genoemd om te vliegen met snelheden die aanzienlijk sneller zijn dan de snelheid van het geluid en vormt een buitengewone reeks technische uitdagingen. Als voorbeeld, wanneer een ruimtecapsule de atmosfeer van de aarde weer binnengaat, het bereikt hypersonische snelheden - meer dan vijf keer de snelheid van het geluid - en genereert temperaturen van meer dan 4, 000 graden Fahrenheit op het buitenoppervlak. Het ontwerpen van een thermisch beveiligingssysteem om astronauten en lading veilig te houden, vereist inzicht op moleculair niveau van de gecompliceerde fysica die zich afspeelt in het gas dat rond het voertuig stroomt.

Recent onderzoek aan de University of Illinois Urbana-Champaign heeft nieuwe kennis toegevoegd over de fysieke verschijnselen die optreden als atomen trillen, draaien, en botsen in deze extreme omgeving.

"Vanwege de relatieve snelheid van de stroming rond het voertuig, een schok wordt gevormd voor de capsule. Wanneer de gasmoleculen de schok passeren, sommige van hun eigenschappen veranderen bijna onmiddellijk. In plaats daarvan, anderen hebben niet genoeg tijd om zich aan te passen aan de abrupte veranderingen, en ze bereiken hun evenwichtswaarden niet voordat ze aan de oppervlakte van het voertuig zijn aangekomen. De laag tussen de schok en het hitteschild bevindt zich dan in niet-evenwicht. Er is veel dat we nog niet begrijpen over de reacties die plaatsvinden in dit soort stromen, " zei Simone Venturi. Hij is een afgestudeerde student die studeert bij Marco Panesi in de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de UIUC.

Venturi legde uit dat ze de stroom niet op dezelfde manier kunnen beschrijven als een samendrukbare stroom in aerodynamica met lagere snelheid, die kijkt naar de bulkeigenschappen van de stroom. Hypersonische stromen worden op microscopisch niveau bestudeerd om te begrijpen hoe de moleculen en atomen op elkaar inwerken en, uiteindelijk, hoe deze interacties te modelleren.

"Het probleem wordt nog gecompliceerder door het aantal verschijnselen dat tegelijkertijd optreedt - niet-evenwicht is er slechts één van, ' zei Venturi. 'Straling, bijvoorbeeld, is een gevolg van de aangeslagen elektronische toestanden. Tegelijkertijd, de stroom interageert met de gassen die het gevolg zijn van de ablatie van het capsuleoppervlak."

Het onderzoek keek naar niet-evenwicht vanuit het perspectief van trillingen en rotatie van de moleculen in de stroming rond het voertuig, of trillingen, een woord dat veel wordt gebruikt in de studie van hypersonics en kwantumfysica.

"De input voor onze simulaties is afkomstig van de eerste principes van de kwantumfysica. We beschouwen de atomen op een reeks relatieve afstanden, en we berekenen de resulterende interactie-energieën door de Schrödingervergelijking op te lossen, " zei Venturi. "De oplossing komt alleen op een discrete reeks punten. Machine learning helpt ons bij het aanbrengen en produceren van een continu oppervlak - wat we het potentiële energieoppervlak noemen."

In de afgelopen jaren, onderzoekers begonnen te kijken naar neurale netwerken voor het genereren van oppervlakte tussen deze punten.

"We hebben een nog hoger niveau van complexiteit toegevoegd door de neurale netwerken uit te breiden via probabilistische machine learning, "Zei Venturi. "Dit stelt ons niet alleen in staat om de atomaire interacties nauwkeuriger te beschrijven, maar het kwantificeert ook de onzekerheid die deze objecten beïnvloedt. We creëerden een verdeling van oppervlakken, in plaats van slechts één oppervlak, omdat de voorspelling die uit deze modellen komt niet zomaar een enkele waarde is, maar een verdeling van waarden. Dus, het is een voorspelling met onzekerheid rond de waarde. Het resultaat is geen exact antwoord, maar een verdeling van antwoorden."

Venturi zei nadat ze de interactie-energie tussen moleculen en atomen vertegenwoordigden, ze simuleerden miljarden botsingen.

"We weten wat er gebeurt op een klein aantal ruimtelijke punten, en dan gebruiken we de vergelijking van de klassieke mechanica. De vergelijkingen zijn dezelfde die gelden voor botsende biljartballen. Het verschil is dat we deze interacties gebruiken, deze kwantuminteracties, als drijvende krachten. Deze complicatie is vereist door de atomaire schaal van het probleem, omdat de deeltjes elkaar kunnen voelen, zelfs als ze ver weg zijn. Met een groot aantal aanrijdingen, we kunnen de waarschijnlijkheid verkrijgen dat bepaalde reacties zullen plaatsvinden. We gebruiken deze kans op reactie in computationele vloeistofdynamica met het uiteindelijke doel om de fluxen te voorspellen en veiligere hitteschilden te ontwerpen, " hij zei.

Hoewel ze niet de eersten waren die machine learning gebruikten om potentiële energieoppervlakken te construeren, Venturi zei, "we waren de eersten die onzekerheden over deze hoeveelheden verkregen. Het is een manier om de nauwkeurigheid van machine learning te valideren die wordt toegepast op de constructie van deze mogelijkheden."

In het tweede onderzoeksproject Venturi zei dat ze nu meer weten over de disassociatiedynamiek in hypersonische stromingen, dat is, hoe de moleculen hun bindingen verbreken en twee afzonderlijke atomen worden als gevolg van sterke botsingen.

"De extreme temperaturen van hypersonische regimes genereren zeer eigenaardige fysica, " Zei Venturi. "Het maakt het onmogelijk om onderscheid te maken tussen trillingen en rotaties van de moleculen. Je kunt ze niet splitsen omdat ze sterk aan elkaar gekoppeld zijn. We vonden dat dit effect belangrijke gevolgen heeft van de dissociatiemechanismen.

"Het is interessant, niet alleen vanuit een scheikundig perspectief, maar ook vanuit technisch oogpunt. De chemische reacties die plaatsvinden nadat de gasmoleculen en atomen botsen, geven ofwel energie vrij in de stroom of trekken er energie van af, "zei Venturi. "Dus, als we de warmtestroom willen kwantificeren die het hitteschild treft, we moeten voorspellen hoeveel energie er wordt opgeslagen in de stroming rond het voertuig. De dissociatie van de moleculen in de atmosfeer is niet iets dat we vaak waarnemen bij kamertemperatuur. Het begint pas relevant te zijn bij temperaturen boven de 4, 500 graden Fahrenheit voor zuurstof en 7, 000 graden Fahrenheit voor stikstof. Het is een interessant fenomeen, en nu begrijpen we er meer van."

De twee artikelen werden herkend met voorpagina's van The Tijdschrift voor Fysische Chemie . Simone Venturi, een doctoraatsstudent bij Marco Panesi in de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en CHESS, maakt gebruik van Machine Learning en Data Science om scheikunde in hypersonische omgevingen te bestuderen.