دانشمندان چینی موفق به کشف یک باگ مهم در نرم افزار شبیه سازی عملکرد هواپیماهای مافوق صوت شدند.
مهندسان ناسا از نرم افزار شبیه سازی Vulcan-CFD برای طراحی و آزمایش هواپیماهای مافوق صوت استفاده می کنند. محققان دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) به تازگی متوجه یک باگ در این نرم افزار شدند که می تواند در عملکرد هواپیما در سرعت های بالا تاثیر منفی بگذارد. نتایج ارزیابی آنها به تازگی در مجله "Nature Computational Science" منتشر شد. طبق تحقیقات آنها، این باگ در کد نرم افزار به نام "FUN3D" وجود دارد. این قطعه کد برای شبیه سازی جریان سیالات هواپیمای در حال حرکت با سرعت مافوق صوت استفاده می شود. اگر این ادعا صحت داشته باشد، نرم افزار شبیه سازی می تواند سرعت پیشرفت آمریکا را در ساخت هواپیماهای نسل جدید با مشکل مواجه کند.
تیم مطالعاتی معتقد است نرمافزار Vulcan-CFD نمی‌تواند به صورت دقیق واکنش‌های شیمیایی پیچیده در سرعت‌های بالا روی سطح هواپیمای مافوق صوت را مدلسازی کند. به گفته‌ی تیم چینی، تکیه بر این نرمافزار که در مرکز تحقیقات لانگلی ناسا استفاده می‌شود، می‌تواند منجر به نتایج نادرست در آزمایش ها شود. این موضوع بیشتر در شبیه‌سازی پدیده هایی مانند ساییدگی در دمای بالا (Ablation) اهمیت زیادی پیدا می‌کند.
زمانی که سرعت هواپیمای مافوق صوت از مرز 5 ماخ عبور می کند، اصطحکاک شدید هوا باعث بالا رفتن دما می شود. افزایش دما می تواند منجر به یونیزه شدن مولکول‌های هوا و برانگیخته شدن واکنش‌های شیمیایی شود. اگر این اتفاق ها به درستی در محیط شبیه سازی شده پیاده سازی نشود، نتایج ارزیابی مدلسازی قابل اعتماد نخواهد بود. این اطلاعات نادرس توسعه هواپیماهای مافوق صوت را با مشکل مواجه می کنند.
تجزیه و تحلیل نرمافزار Vulcan-CFD ممکن است در مدلسازی واکنش‌های پیچیده نقص داشته باشد. این واکنش‌های پیچیده می‌توانند باعث فرسایش سطح هواپیما و بالارفتن دمای هوا یا چگالی آن در اطراف هواپیما شود. طراحی هواپیماهای مافوق صوت به علت پیچیدگی زیادی که دارد، کار سختی است. مهندسان هوا-فضا برای غلبه بر این مشکلات باید درک خوبی از پدیده های فیزیکی داشته باشند که در داخل این وسیله نقلیه رخ می دهد. نمونه ای از این پدیده های فیزیکی شامل:
• گرمایش آیرودینامیکی: اصطکاک شدید هوا با بدنه‌ی وسیله نقلیه در سرعت‌های مافوق صوت، گرمای زیادی تولید می کند.
• واکنش‌های شیمیایی درون جریان هوا: مولکول‌های هوا در سرعت‌های بالا با یگدیگر وارد واکنش می شوند و این واکنش‌ها می‌توانند روی عملکرد و پایداری وسیله نقلیه تأثیر گذار باشد.
• برخورد امواج ضربه‌ای: به هواپیمای در حال حرکت امواجی ضربه وارد می کنند که می تواند تعادل و کنترل وسیله نقلیه را تحت تاثیر قرار دهد.
• اثرات لایه مرزی: لایه‌ی نازک هوایی که مستقیم با بدنه‌ی وسیله نقلیه در تماس است، می‌تواند بر مقاومت هوا و عملکرد کلی آن اثرگذار باشد.
مهندسان برای ساخت یک هواپیمای مافوق صوت باید قادر باشند که این پدیده ها را در محیط نرم افزاری به صورت کامل شبیه سازی کنند. این مدل‌سازی‌ها به آنها کمک می‌کند تا بهترین نوع بدنه، مواد و سیستم‌های خنک‌کننده را برای دستیابی به عملکرد مطلوب انتخاب کنند. نرم افزار Vulcan-CFD یکی از ابزارهای مهمی است که تیم های مهندسی هوا-فضا در جعبه ابزار خود دارند. اما به علت کاربردهای نظامی آن، این نرم افزار به خارج از آمریکا صادر نمی شود. پس دانشمندان چینی چگونه توانستند به این نرم افزار دسترسی پیدا کنند؟!
ناسا در سال 2020 یک مقاله علمی منتشر کرد و در آن نحوه کار نرم افزار و برخی از ویژگی های کلیدی پرکاربرد را توضیح داد. به گفته‌ی پرفسور لیو آن ها با بررسی دقیق این مقاله موفق به کشف این موضوع شدند. به عقیده آنها، اتکای بیش‌ازحد به نرمافزار Vulcan-CFD می تواند باعث کندی پیشرفت برنامه‌های مافوق صوت آمریکا شود. حالا می توان حدس زد که چرا آمریکا در ساخت سلاح های مافوق صوت نسبت به کشورهای دیگری مانند کره شمالی عقب تر است. کره شمالی در 3 آوریل موفق شد موشک بالستیک فراصوت جدید خود را با نام Mars 16B با موفقیت آزمایش کند. ارتش آمریکا در سال های 2021 و 2022 دو سلاح فراصوت دور برد را آزمایش کرد. هر دو پرتاب با شکست مواجه شد و ارتش تصمیم گرفت پرتاب های بعدی را به زمان دیگری موکول کند.
دفتر بودجه‌ی کنگره آمریکا در مورد علت شکست این پرتاب ها اعلام کرد:"بزرگترین چالش موجود، کنترل گرمای شدید ناشی از حرکت موشک در سرعت‌های بالاست. ما برای محافظت از قطعات حساس الکترونیکی موشک‌های مافوق صوت، درک عملکرد مواد مختلف در دمای بالا و پیش‌بینی آیرودینامیک در دماهای تا ۳۰۰۰ درجه فارنهایت، نیازمند آزمایش‌های بیشتری هستیم. شکست‌های چند سال اخیر، سرعت پیشرفت برنامه را کند کرده است.»