- 微小水滴可對超音速飛行器造成毀滅性損壞。
- 現有計算模型未考慮水滴內部的關鍵現象。
- 研究團隊使用超級計算機模擬水滴破裂機理。
- 這些研究可提升飛行器安全性，減少維修費用。
波士頓大學（BU）的研究團隊由副教授 Sheryl Grace 領導，正研究微小水滴對高速太空船及超音速飛行器造成的毀滅性損害。由 SpaceX 和 NASA 等公司建造的太空船使用耐用合金製造，但在超音速下撞擊的水滴能以子彈般的力量撞擊金屬，造成損壞。研究小組指出，速度越快，這種破壞潛力就越大。Grace 指出：「水滴可以穿透整個裝置。」雖然工程師使用計算模型來估計風險並認證飛行器，但現有的模擬忽略了影響水滴撞擊時破裂的主要物理機制。
研究團隊的模擬工作
為了保護這些昂貴的裝置並提高飛行安全，Grace 及其團隊正在運行超級計算機模擬，以捕捉水滴破裂的確切機理，並改善當前的預測模型。
潛在的空蝕暴力長期以來，計算模型將水滴視為簡單的均勻球體，主要由其外部表面張力控制。但 Grace 懷疑預測軟件忽略了水滴內部發生的關鍵現象。這些模型錯過了空蝕。空蝕是一種物理過程，其中被困的氣泡在水滴內部在不同壓力下迅速收縮和擴張。儘管空蝕的模型已經存在很長時間，但科學家從未將其視為水滴破裂的內部驅動因素。完全理解這些碎裂的水滴如何與空中飛行器互動仍然是一個未解的難題。
模擬這一過程是一項計算上的噩夢。標準的水滴分解模型主要集中在液體外部與其周圍環境之間的表面互動。研究人員使用高效能計算集羣來檢驗水滴的內部機制，運行複雜的模擬。
超級計算機同時計算多種相互作用的流體，從微觀氣泡擴展到較大的水滴，並處理突發的壓力變化。Grace 說：「雖然所有計算流體軟件旨在預測相同的物理現實，但開發者使用的不同數值方法可能會產生不同的結果。要開發一種能夠捕捉所有物理現象並在我們有生之年能在超級計算機上運行的計算方法，是一項艱鉅的任務。」
多個航空航天及材料應用為了破解這一難題，Grace 的實驗室利用位於麻薩諸塞州 Holyoke 的 BU 共享計算集羣的強大處理能力。在實驗室內，博士生 Rebecca Shannon（ENG'27）和本科研究員 Reka Sundem（ENG'27）並排運行相互競爭的高復雜度數值模型。通過將不同的數學方法進行對比，團隊可以確定他們的模擬是否揭示了真正的流體物理，還是僅僅是虛假的軟件故障。
商業太空競賽的影響
這些計算負擔的目的可能是巨大的。新的商業太空競賽正在用衞星和可重複使用的火箭淹沒低地球軌道，而商業航空公司則積極追求超音速客運旅行的回歸。
這些見解促進了先進飛行器外殼和保護塗層的開發，旨在有效吸收或分散高速流體衝擊。飛行控制人員可以建立精確的安全閾值，以減少在多雲或小雨條件下不必要的發射取消，從而最小化昂貴的運營延誤。此外，這些模型有助於確保返回的太空船在密集且濕潤的下層大氣中能夠承受，而不會產生極高的維修費用。改善這些預測模型也將提升再入飛行器和高速飛機的安全性，最終最小化或消除嚴重的水損害。
水滴破裂研究對航空航天的影響
隨著商業太空競賽的加劇，對超音速飛行器的安全性需求越來越高。微小水滴造成的潛在損害，若未能有效預測，將會對飛行器的運行安全構成威脅。研究團隊通過高效能計算模擬水滴的破裂機理，旨在改善現有的預測模型，這對於設計更安全的飛行器至關重要。隨著航空業對超音速旅行的興趣增長，這項研究的成果將有助於減少因天氣因素導致的運營延誤，並降低維修成本，促進航空業的可持續發展。