חלל נכנס לאטמוספירה של כדור הארץ הוא אחד האתגרים הקיצוניים ביותר בהנדסת אווירופייס.כרכב מתעורר צולל ממהירויות של מהירויות גז מ-Mat 25 לתוך אוויר צפופה יותר ויותר, הוא נתקל בתנאי גז המעבר כמעט ללא התנגשות לזרימת רצף גבוה - אפילו ירידה של 100 ק"מ - האווירה היא כל כך נדירה כי הדרך החופשית של מולקולות הופכת להיות דומה לגודל של חיזויים מתקדמים, אפילו נוסחאות איטיות, על בסיס נוסחאות חום, כלומר, על ידי נוסחאות איטיות, על בסיס פרדוקסים, על בסיס דרמטיות, על בסיס פרדוקסים, על בסיס פרדוקסים, פרדוקסים, פרדוקסלי, פרדוקסים של קרינת חום, על בסיס דרמטי של קוסמטיקה, על ידי קוסמטיקה, יש צורך, על ידי אטמוספירה של פרדוקסלי, על ידי אטמוספירה של אטמוספירה של קרינת חום, על ידי קוסמטיקה, על ידי קוסמטיקה, על ידי קוסמטיקה, על ידי פרדוקסלי, על ידי קרינת חום, על ידי קוסמטיקה קצר יותר, על בסיס כמה זמן קצר יותר, על ידי פרדוקסלי, על ידי קוסמטיקה, על ידי קוסמטיקה, על ידי פרדוקסלי, על ידי פרדוקס של קרינת חום, כמו קרינת

הבנה נדירה של Gas Dynamics

התנהגות הגז בזרם מסוים מאופיינת במספר הסכינים (Kn), המוגדרת כיחס של נתיב מולקולרית פירושו חופשי להיקף אופייני של המערכת.כאשר סכינים הוא מתחת 0.01, ניתן לטפל בגז כרצף ומתאר על ידי משוואות Navier-Stokes ללא גבול שולי.

במהלך הכניסה, חללית עוברת דרך כל המשטרים האלה.בגובה של 120-200 ק"מ, סכינים הוא על סדר של 0.1-10, הצבתו בריבוע במשטר המעבר.כאן, הגז אינו צפוף מספיק לתיאור מתמשך קרלו ולא כל כך מטבוליט שתופעות מקבילות של סימולציה מולקולה-נגדית (conlicialction) או משוואות מהירותיות גבוהות יותר, כולל שיטות דיסוציאליות גבוהות יותר, כולל משוואות אנרגיה.com) יעילות.

שיטות סימולציה מסורתיות: הגישה של DSMC

במשך עשרות שנים, עבודת הסימולציה של גז נדיר הייתה שיטת סימבולית הישירה מונטה קרלו.ב-DSMC, הזרם מיוצג על ידי מספר גדול של מולקולות מדמות - כל עמדה, מהירות ואנרגיה פנימית. התחום החישובי מחולק לתאים, ובקרב כל התנגשות תאים נפתרים באופן פרוביטיסטי, באמצעות מודלים כגון ה-VS) או התנגשויות מתקדמות למולקולות (Randre) רכה (Ricial) ו-S) הן למולקולות מתקדמות (Rictretretretretretretretretretretretretretretretretre) ו-S.

DSMC כבר מוצלח מאוד בחיזוי עומסים אנרגמיים עבור קפסולות החזרה, כגון מודול הפיקוד של אפולו ואת מסלול מעבורת החלל.עם זאת, זה מגיע עם עלויות חישוביות משמעותיות.כל מולקולה אמיתית עשויה להיות מיוצגת על ידי אלפי חלקיקים רבים של חלקיקים מדומים, ומספר התאים חייב להיות בסדר מספיק כדי ללכוד ⁇ s - במיוחד ליד פני השטח של שלוש, באופן כימי עם אותות מורכבים יותר, כמו גם על ידי הגנה על פני השטח, או על פני השטח של סימולציה קטנה יותר, כמו גם על פני השטח.

כדי להתגבר על המגבלות הללו, החוקרים פיתחו מגוון של גישות חדשניות המשלבות את מיטב השיטות הרציניות והארוכותיות תוך מינוף מחשוב מודרני.

גישות חדשניות לסימולציה

מודלים של מתמשכים -Kinetic

הדרך הטבעית ביותר ליעילות היא להשתמש בפתר מתמשך שבו הוא תקף ונוכר קיננטי רק היכן שנדרש.שיטות מתמשכים-kinetic היברידית מחלקות באופן דינמי את התחום לאזורים: משוואות Navier-Stokes נפתרות באזורים בעלי רגישות גבוהה (Kn < 0.01), בעוד DSMC או מפתור קיננטי משמש באזורים נדירים או שאינם-quibrium.

(המכונים: United-of-the-art המסגרות ההיברידיות, כגון אלה שפותחו במרכז המחקר של נאס"א ואוניברסיטת מישיגן, משתמשים במספר סכינים או חיישנים מבוססי ⁇ כדי לגרום להחלפה של פותרים.לדוגמה, ה-FLT:0 OpenFOAM-DSMCFLT:1ling מספק ממשק מודולרי שבו אזורים מתמשכים נפתרים עם שכבה של ריינולדס-לשעבר Na-S) אשר מופעלת באופן מדויק יותר ממשטח (R) ובלבד שלמטה יותר ממרחקים יותר מלמטה יותר מלמטה יותר מלמטה) ו-DSFRANS) זמן קצר יותר ממתכת (MCS) זמן קצר יותר ממתכת (MCS) יש צורך קבוע (מסלולאריים יותר ממתכת (מחדש) ו-D) אשר מאפשר לי יותר ממתכתבמרחקים יותר ממתכת (מסלולאריכים יותר) זמן קצר יותר ממתכת (מחדשהטווח קצר יותר נמוך יותר ממתכת קצרה יותר) זמן קצר יותר, בעוד שלמטה יותר, כאשר הם קבועים יותר נמוך יותר של כלי רכב נדיר (MCS) נמוך יותר נמוך יותר ממתכת (MC) זמן קצר יותר ממתכת קצרה יותר של כלי רכב רגיל (מחדשני) זמן קצר יותר ממתכת (מ

שיטות היברידיות אלה אושרו נגד תוצאות DSMC טהורות עבור גיאוגרפיות כגון מודול צוות Orion ואת רכב הכניסה של מעבדת מאדים מדע מעבדה. הם להשיג מהירות של 5-20× תוך שמירה על דיוק בתוך כמה אחוזים עבור כמויות משולבות כמו גרר חום פלוקס.ההמגירה העיקרית היא המורכבות של decomposition התחום - במיוחד כאשר הזרם מכיל גלי הלם מרובים מנותקים כי שינוי בזמן הסתגלות גישות היברידיות כי הם כמה שלבים שטח פעיל מדי פעם.

Machine Learning Accelerations

העלייה של למידה עמוקה פתחה חזית חדשה בסימולציה גז נדיר.במקום להפעיל סימולציה מלאה של DSMC עבור כל מצב, החוקרים מאמנים רשתות עצביות על סט של שדות DSMC לא מקוון לרוץ לחזות שדות מקרוסקופיים - זהות, מהירות, טמפרטורה וחום פלוקס - כמו פונקציות של גובה, מהירות, גיאומטריה פרמטרים. אלה מודלים חלופיים יכול לשמש במהירות עבור חקר חלל עיצוב, אי ודאות, קוה, או אפילו שליטה מקוונת.

גישה בולטת אחת היא השימוש במשוואה בולצמן (או ברגעים שלה) לתפקוד אובדן של רשתות עצביות (PINNs) ⁇ FLT:1 אשר הטמיע את משוואה בולצמן (או ברגעים שלה) לתוך תפקוד אובדן.על ידי הטלת חוקי שימור ישירות, PINNs יכול לייצר פתרונות עקביים מבחינה גופנית אפילו עם נתונים הכשרה מוגבלת.

כיוון מרגש נוסף הוא השימוש ברשתות זרם מסוג DSMC:0 (גנים) מובנים:1 כדי לייצר שדות זרימה דמויי רזולוציה גבוהה של DSMC מ קלטות ברזולוציה נמוכה, למעשה פועל כסופר-סולן.זה יכול לאפשר למהנדסים לרוץ סימולציות קורקזה במחשב נייד ולאחר מכן עד לכידת מבנים בסדר גודל ליד הקיר.

עם זאת, למידת מכונה מתקרבת לאתגרים: הם דורשים נתונים גדולים ואיכותיים של DSMC לאימון; הם עשויים להצטבר בצורה גרועה מחוץ למשטר האימונים; והם עדיין לא מטפלים בחומרים כימיים שאינם אתריים עם מינים רבים באופן חזק.מחקר מתמשך מתמקד במסגרות למידה היברידית + DSMC שבו רשתות עצביות מאיצה חלקים של חישוב ההתנגשות - למשל, חיזוי זוגות או התנגשות - בעוד שפוסט-Side-Resides-Resides-Resides-Insides-Invrelimates-In-Resides-In-In-In-In-Insides-Resides-In-In-S.

טיהור מותאם ודיסקורציה מתקדמת

זרמים נדירים מכילים לעתים קרובות ⁇ חדה גלי הלם ומשטחים קרובים, אבל רשתות דקות אחידות שפכים חישוב באזורים של זרימה חלקה. הסתגלות מעצמית (AMR) קידוד דינמי או מחדד את המירש חישובי המבוסס על חיישנים כמו מספר סכינים, פיזור מהירות, או שיעור התנגשות מקומי.

כלי DSMC מודרניים - כגון נאס"א:0 (DiasmcFoam +teauFLT 1) ואת הקוד המשולב:2SPARTAveFLT 3:0) - שילוב יכולות AMR חזקות משתמש ב-AMR אסטרטגיה טיפוסית עם ריצוף קופסא: התחום הוא מופץ לתוך קוטראז'ס, וספירה מדויקת יותר מאשר גודלו של תאים נקיים יותר (מתאים).

מעבר למרחב AMR, הסתגלות זמנית היא גם צוברת מערכת.הצעד הזמן ב DSMC חייב להיות חלק מהזמן ההתנגשות הממוצע; במשטר ליד-קונום ליד הקיר, זמני ההתנגשות קצרים, הדורשים צעדים זעירים.על ידי מיחזור אזור ליד הקיר עם צעד קטן יותר תוך שימוש צעד גדול יותר בזרם החופשי, סימולציות יכולות להיות מופרשות על ידי גורמים של 2 ק"מ-עשר לפני קיבולת של עד 70 ק"מ-עשר של כלי רכב בודדים.

תגיות Spacecraft Design

טכניקות סימולציה חדשניות אלה מעצבות באופן ישיר כיצד מהנדסים ניגשים למערכת הגנה תרמית (TPS), משטחים בקרת אווירודינמית, ומתכננים של תכנון מסלול החזרה.התחזית של stagnation Point flux היא קריטית לשילוב מגינים חום מולדים.מודלים היברידיים עכשיו מאפשרים למעצבים לרוץ מאות סימולציות מונטה קרלו של תנאים מחוץ ל-nominal (למשל, זווית של וריאציות יקרות) על ידי שבריר זמן מוכחת של שבריריות של סיכון טהור.

עבור כלי רכב עם גיאומטריה מורכבת - כגון ה- SpaceX Starship של SpaceX Starship sing מעוגלת או סימולציות Hypersonic In מנופח של נאס"א (HIAD) - השילוב של AMR ומיזוג היברידי הפך סימולציות מלאות של ההליכות ה-vehiclelelelele של נאס"א לסימולציות חמות מקומיות שנגרמו על ידי אינטראקציות הלם, זרימה, והתחדשות מחדש במחקר אחד של TMRA לא צפוי היה ממוקם ליד סימולציה אחידה של TADDS לא צפוי של אזור ה-SDSDS לא צפוי של TADC, אשר היה קרוב ל-R.

יתר על כן, התקני כוח האווירודינמית שמקורם בסימולציות אלה מזינים להדרכה, ניווט ובקרה (GNC) מודלים. כי כוחות זרימה נדירים רגישים מאוד לזווית של התקפה ומספר מאך, שיש להם מודלים פונדקאים מהירים ומדויקים (מאומנים באמצעות למידת מכונה) מאפשרים למחשבי טיסה להתאים את המסלולים בזמן אמת.זה חשוב במיוחד עבור משימות אווירו, שבו הרכב חייב לבצע בנקאות נדירה בתוך משטר.

כיוונים עתידיים

העשור הבא מבטיח פריצות דרך נוספות. Exascale מחשוב, עכשיו מגיע באינטרנט עם מערכות כמו Frontier ואל Capitan, יאפשר סימולציות DSMC עם מיליארדי חלקיקים - מספיק כדי לפתור אינטראקציות סוערות-כימיה במשטר המעבר. סימולציות כאלה יספקו תובנה חדשה לתוך תחילת המעבר לזעזועים בזרימות, תופעה שלא ניתן כיום מודל במשטר המעבר.

מחשוב קוונטי, אם כי עדיין nascent, עשוי בסופו של דבר להאיץ את ההתנגשות ואת דור פסאודודום של DSMC. עבודה מוקדמת באוניברסיטת אילינוי Urbana-Champaign יש למפות את אלגוריתם התנגשות DSMC לאדריכלות אנמנלינג קוונטית, המציג פוטנציאל למהירויות חד-משמעיות בסינון חלקיקים.

אימות ניסיוני נשאר חיוני.המבחן הקרקע במתקני פלזמה, מנהרות הלם, ותאים ואקום לא יכולים לשכפל באופן מלא את התנאים הנדירים, גבוהים של החזרה.חדשנות ב פלואורנסינג הנגרמת לייזר (LIF) ו טונוטל דיסטודה לייזר ספיגת ספקטרוסקופיה (TDLAS) עכשיו לספק מדידות נפתרות מרחבית של טמפרטורה ומין במדיקות נמוכות אלה משמשים נתונים סטנדרטיים כדי לשפר את ההתנגשות.

לבסוף, דחיפה לעבר סימולציות מרובות-פיזיקה מלאות - כולל הדבקה, קרינה ותגובה חומרית - משלבת דינמיקת גז נדירה עם מודלים מבניים ותרמיים.לדוגמה, מסגרות חדשות זוג DSMC לזרם החיצוני עם מפתן של חומרים האחראיים לחומר עבור TPS, ומאפשרת את ייצור המוצר (למשל, פחמן חד-חמצני, מימן) להיות מוזרק בחזרה לתוך מתחם ההפיכה של 2MC-החומרים מודרניים.

מסקנה

סימולטת דינמיקת גז נדירה במהלך החזרה לחללית דורשת עזיבה משיטות רצף מסורתיות. על ידי שילוב מודלים היברידיים מתמשכים-kinetic, למידת מכונה, וזיקוק מעצמית הסתגלות, קהילת החלל היא השגת מהירויות סימולציה ואצילות שלא היו בלתי-חושיים של מערכת מחשוב נדירה לפני דור.

(ב) ◄ ⁇ ⁇

  • מחקר חדש ב- AmciosFLT:0.NASA Aerothermodynamics Research at AmcioFLT
  • [01:0] ,364243] מסמך בכתב העת ההיברידי DSMC-Continuum SimulationFLT: 1.
  • (ב) ,0) רשתות לוגיות של רשתות ניב נדיר (Autosofed FlowsFillo)
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇