Hypersonisk flygning kallas konventionellt förmågan att flyga i hastigheter som är betydligt snabbare än ljudets hastighet och presenterar en extraordinär uppsättning tekniska utmaningar. Som ett exempel, när en rymdkapsel åter kommer in i jordens atmosfär, den når hypersoniska hastigheter - mer än fem gånger ljudets hastighet - och genererar temperaturer över 4, 000 grader Fahrenheit på dess yttre yta. Att utforma ett termiskt skyddssystem för att hålla astronauter och last säkert kräver en förståelse på molekylär nivå av den komplicerade fysik som pågår i gasen som flyter runt fordonet.

Ny forskning vid University of Illinois Urbana-Champaign lade till ny kunskap om de fysiska fenomen som uppstår när atomer vibrerar, rotera, och kolliderar i denna extrema miljö.

"På grund av den relativa hastigheten för flödet som omger fordonet, en chock bildas framför kapseln. När gasmolekylerna passerar chocken, några av deras egenskaper ändras nästan omedelbart. Istället, andra har inte tillräckligt med tid att anpassa sig till de plötsliga förändringarna, och de når inte sina jämviktsvärden innan de kommer fram till fordonets yta. Skiktet mellan chock- och värmeskölden återfinns sedan i obalans. Det är mycket som vi inte förstår ännu om reaktionerna som sker i denna typ av flöde, "sa Simone Venturi. Han är en doktorand som studerar med Marco Panesi vid Institutionen för rymdteknik vid UIUC.

Venturi förklarade att de inte kan beskriva flödet på samma sätt som ett komprimerbart flöde i aerodynamik med lägre hastighet, som tittar på flödets bulkegenskaper. Hypersoniska flöden studeras på mikroskopisk nivå för att förstå hur molekylerna och atomerna interagerar och, i sista hand, hur man modellerar dessa interaktioner.

"Problemet kompliceras ännu mer av antalet fenomen som uppstår samtidigt - ingen jämvikt är bara en av dem, "Sa Venturi." Strålning, till exempel, är en följd av de upphetsade elektroniska tillstånden. På samma gång, flödet interagerar med gaserna som härrör från ablationen av kapselytan. "

Forskningen tittade på ingen jämvikt ur perspektivet av vibrationer och rotation av molekylerna i flödet runt fordonet, eller rovibrationer, ett ord som vanligtvis används i studien av hypersonik och kvantfysik.

"Ingången till våra simuleringar kommer från de första principerna för kvantfysik. Vi betraktar atomerna vid en uppsättning relativa avstånd, och vi beräknar de resulterande interaktionsenergierna genom att lösa Schrödinger -ekvationen, "Sa Venturi." Lösningen kommer bara på en diskret uppsättning punkter. Maskininlärning hjälper oss att montera och producera en kontinuerlig yta - det vi kallar den potentiella energiytan. "

Under de senaste åren har forskare började titta på neurala nätverk för att generera yta mellan dessa punkter.

"Vi lade till en ytterligare komplexitet genom att utöka de neurala nätverken via probabilistiskt maskininlärning, "Sa Venturi." Detta tillåter oss inte bara att beskriva atominteraktionerna mer exakt, men det kvantifierar också osäkerheten som påverkar dessa objekt. Vi skapade en fördelning av ytor, istället för bara en yta, eftersom förutsägelsen som kommer från dessa modeller inte bara är ett enda värde, men en fördelning av värden. Så, det är förutsägelse med osäkerhet kring värdet. Resultatet är inget exakt svar, men en fördelning av svar. "

Venturi sa att efter att de representerat interaktionsenergin mellan molekyler och atomer, de simulerade miljarder kollisioner.

"Vi vet vad som händer på en liten uppsättning rumsliga punkter, och sedan använder vi ekvationen för klassisk mekanik. Ekvationerna är desamma som styr biljardbollar som kolliderar. Skillnaden är att vi använder dessa interaktioner, dessa kvantinteraktioner, som drivkrafter. Denna komplikation krävs av atomens skala, eftersom partiklarna kan känna varandra även när de är avlägsna. Med ett stort antal kollisioner, vi kan få sannolikheten att vissa reaktioner kommer att inträffa. Vi använder dessa reaktionssannolikheter i beräkningsvätskedynamik med det slutliga målet att förutsäga flödena och designa säkrare värmesköldar, " han sa.

Även om de inte var de första som använde maskininlärning för att konstruera potentiella energiytor, Venturi sa, "vi var de första som fick osäkerheter om dessa mängder. Det är ett sätt att validera noggrannheten i maskininlärning som tillämpas på konstruktionen av dessa potentialer."

I det andra forskningsprojektet, Venturi sa att de nu vet mer om disassociationsdynamiken i hypersoniska flöden, det är, hur molekylerna bryter sina bindningar och blir två separata atomer till följd av starka kollisioner.

"De extrema temperaturerna hos hypersoniska regimer genererar en mycket speciell fysik, "Sa Venturi." Det gör det omöjligt att skilja mellan vibrationer och rotationer av molekylerna. Du kan inte dela dem eftersom de är mycket sammankopplade. Vi fann att denna effekt har viktiga konsekvenser av dissociationsmekanismerna.

"Det är intressant, inte bara ur ett kemiperspektiv, men också från en teknisk synvinkel. De kemiska reaktioner som sker efter att gasmolekylerna och atomerna kolliderar antingen släpper ut energi i flödet eller subtraherar energi från det, "Sa Venturi." Så, om vi vill kvantifiera värmeflödet som påverkar värmeskölden, vi måste förutsäga hur mycket energi som lagras i flödet runt fordonet. Dissocieringen av molekylerna i atmosfären är inte något vi vanligtvis observerar vid rumstemperatur. Det börjar vara relevant endast vid temperaturer över 4, 500 grader Fahrenheit för syre och 7, 000 grader Fahrenheit för kväve. Det är ett intressant fenomen, och nu förstår vi mer om det. "

De två artiklarna kände igen med försättsblad i The Journal of Physical Chemistry . Simone Venturi, en doktorand med Marco Panesi vid Institutionen för rymdteknik och schack, utnyttjar maskininlärning och datavetenskap för att studera kemi i hypersoniska miljöer.