Dans cette figure, les niveaux rovibrationnels sont représentés par des points à leurs points de retournement interne et externe, et ils sont colorés en fonction de leurs nombres quantiques vibrationnels. Crédit :Université de l'Illinois Grainger College of Engineering
Le vol hypersonique est classiquement désigné comme la capacité de voler à des vitesses nettement plus rapides que la vitesse du son et présente un ensemble extraordinaire de défis techniques. Par exemple, lorsqu'une capsule spatiale rentre dans l'atmosphère terrestre, il atteint des vitesses hypersoniques - plus de cinq fois la vitesse du son - et génère des températures supérieures à 4, 000 degrés Fahrenheit sur sa surface extérieure. La conception d'un système de protection thermique pour assurer la sécurité des astronautes et des cargaisons nécessite une compréhension au niveau moléculaire de la physique complexe qui se passe dans le gaz qui circule autour du véhicule.
Des recherches récentes à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign ont ajouté de nouvelles connaissances sur les phénomènes physiques qui se produisent lorsque les atomes vibrent, tourner, et entrer en collision dans cet environnement extrême.
"En raison de la vitesse relative de l'écoulement entourant le véhicule, un choc se forme devant la capsule. Lorsque les molécules de gaz traversent le choc, certaines de leurs propriétés changent presque instantanément. Au lieu, d'autres n'ont pas assez de temps pour s'adapter aux changements brusques, et ils n'atteignent pas leurs valeurs d'équilibre avant d'arriver à la surface du véhicule. La couche entre le choc et l'écran thermique se retrouve alors en déséquilibre. Il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas encore sur les réactions qui se produisent dans ce type de flux, " a déclaré Simone Venturi. C'est un étudiant diplômé qui étudie avec Marco Panesi au Département d'ingénierie aérospatiale de l'UIUC.
Venturi a expliqué qu'ils ne peuvent pas décrire l'écoulement de la même manière qu'un écoulement compressible en aérodynamique à basse vitesse, qui examine les propriétés en vrac du flux. Les écoulements hypersoniques sont étudiés au niveau microscopique pour comprendre comment les molécules et les atomes interagissent et, finalement, comment modéliser ces interactions.
"Le problème est encore compliqué par le nombre de phénomènes qui se produisent simultanément - le non-équilibre n'est que l'un d'entre eux, " dit Venturi. " Le rayonnement, par exemple, est une conséquence des états électroniques excités. À la fois, le flux interagit avec les gaz résultant de l'ablation de la surface de la capsule."
La recherche a examiné le déséquilibre du point de vue de la vibration et de la rotation des molécules dans le flux autour du véhicule, ou rovibrations, un mot couramment utilisé dans l'étude de l'hypersonique et de la physique quantique.
"L'entrée de nos simulations provient des premiers principes de la physique quantique. Nous considérons les atomes à un ensemble de distances relatives, et nous calculons les énergies d'interaction résultantes en résolvant l'équation de Schrödinger, " dit Venturi. " La solution ne vient qu'à un ensemble discret de points. L'apprentissage automatique nous aide à ajuster et à produire une surface continue, ce que nous appelons la surface d'énergie potentielle."
Dans les années passés, les chercheurs ont commencé à examiner les réseaux de neurones pour générer une surface entre ces points.
« Nous avons ajouté un niveau de complexité supplémentaire en étendant les réseaux de neurones via un apprentissage automatique probabiliste, " a déclaré Venturi. " Cela nous permet non seulement de décrire les interactions atomiques avec plus de précision, mais il quantifie aussi l'incertitude qui affecte ces objets. Nous avons créé une répartition des surfaces, au lieu d'une seule surface, car la prédiction qui ressort de ces modèles n'est pas qu'une seule valeur, mais une distribution de valeurs. Donc, c'est une prédiction avec incertitude autour de la valeur. Le résultat n'est pas une réponse exacte, mais une distribution de réponses."
Venturi a déclaré qu'après avoir représenté l'énergie d'interaction entre les molécules et les atomes, ils ont simulé des milliards de collisions.
"Nous savons ce qui se passe à un petit ensemble de points spatiaux, puis on utilise l'équation de la mécanique classique. Les équations sont les mêmes que celles qui régissent la collision des boules de billard. La différence est que nous utilisons ces interactions, ces interactions quantiques, comme forces motrices. Cette complication est requise par l'échelle atomique du problème, car les particules peuvent se sentir même lorsqu'elles sont éloignées. Avec un grand nombre de collisions, nous pouvons obtenir la probabilité que certaines réactions se produisent. Nous utilisons ces probabilités de réaction en dynamique des fluides numérique dans le but ultime de prédire les flux et de concevoir des boucliers thermiques plus sûrs, " il a dit.
Bien qu'ils n'aient pas été les premiers à utiliser l'apprentissage automatique pour construire des surfaces énergétiques potentielles, Venturi a dit, « nous avons été les premiers à obtenir des incertitudes sur ces quantités. C'est un moyen de valider la précision du machine learning appliqué à la construction de ces potentiels.
Dans le deuxième projet de recherche, Venturi a déclaré qu'ils en savent maintenant plus sur la dynamique de dissociation dans les écoulements hypersoniques, C'est, comment les molécules rompent leurs liaisons et deviennent deux atomes séparés à la suite de fortes collisions.
« Les températures extrêmes des régimes hypersoniques génèrent une physique très particulière, " dit Venturi. " Cela rend impossible la distinction entre les vibrations et les rotations des molécules. Vous ne pouvez pas les séparer car ils sont fortement couplés entre eux. Nous avons constaté que cet effet a des conséquences importantes sur les mécanismes de dissociation.
"C'est intéressant, pas seulement du point de vue de la chimie, mais aussi d'un point de vue technique. Les réactions chimiques qui se produisent après la collision des molécules de gaz et des atomes libèrent de l'énergie dans le flux ou en soustraient de l'énergie, " dit Venturi. " Alors, si nous voulons quantifier le flux de chaleur qui frappe le bouclier thermique, nous devons prédire combien d'énergie est stockée dans le flux autour du véhicule. La dissociation des molécules dans l'atmosphère n'est pas quelque chose que nous observons couramment à température ambiante. Il ne commence à être pertinent qu'à des températures supérieures à 4, 500 degrés Fahrenheit pour l'oxygène et 7, 000 degrés Fahrenheit pour l'azote. C'est un phénomène intéressant, et maintenant nous en comprenons mieux."
Les deux articles ont été récompensés par des pages de couverture de The Journal de chimie physique . Simone Venturi, un doctorant avec Marco Panesi dans le département de génie aérospatial et CHESS, tire parti de l'apprentissage automatique et de la science des données pour étudier la chimie dans des environnements hypersoniques.
