当材料经受极端环境时，它们面临着混合在一起的风险。这种混合可能导致流体动力学不稳定，产生不希望的副作用。这种不稳定性对多个学科提出了巨大的挑战，特别是在天体物理学、燃烧和聚能射孔弹领域——一种用于集中起爆炸药能量的装置，从而产生能够深入金属、混凝土或其他目标的高速射流材料。

高爆炸药制造优化设计

为了应对控制这些不稳定性的挑战，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员正在将计算能力和制造方法结合起来，以快速开发和实验验证对聚能射孔弹的修改。这项工作发表在《应用物理学杂志》上，是“暗星计划”的一部分，该计划是一项实验室主导的研究和开发战略计划，旨在通过研究复杂流体动力学、冲击波物理学和高能材料的科学问题来控制材料变形。

“就像飓风一样，冲击波和爆炸物爆炸通常被认为是‘无法控制’的事件。但我们的目标是控制这些复杂的动力系统，”暗星的首席研究员乔恩·贝洛夫说。

DarkStar项目背后的灵感深深植根于约翰尼·冯·诺依曼(JohnnyvonNeumann)未完成的研究成果。约翰尼·冯·诺依曼是曼哈顿计划的关键成员，也是流体动力学和冲击波非线性物理学专家。冯·诺依曼为LLNL在计算领域的世界领先声誉做出了贡献，通常被认为是他那个时代最有天赋的数学家。

该团队将现代技术应用于冯·诺依曼的计算理论，利用人工智能(AI)和机器学习(ML)来探索新的计算优化设计。增材制造(3D打印)的使用使研究人员能够快速实现最激进的人工智能设计组件，否则这些组件将被认为使用传统制造方法“不可能”制造。

为了测试他们的聚能射孔弹设计(包括铜衬管、烈性炸药(HE)和硅胶缓冲剂)，该团队从2022年到2023年在LLNL的烈性炸药应用设施总共进行了14次HE爆炸实验。这些实验比较了基线设计，它没有在衬管和HE之间使用缓冲器，与具有优化缓冲器的设计相比，以证明有机硅缓冲器作为不稳定性缓解技术的有效性。

“我们的每一个设计都在不到三个月的时间内完成了优化、制造和爆炸测试，”主要作者迪伦·克莱恩说。

一旦引爆，金属衬里就会被压缩并以每秒约5公里的速度向前挤压，形成高速射流。这项研究旨在减轻当爆炸物在材料界面产生脉冲或“尖峰”时发生的不稳定性，使金属(密度高)变形并加速进入其周围的空气(密度低)。在这种情况下，当射流在空气中形成时，就会发生材料的不稳定或混合。

克莱恩说：“我们的目标是增强这种不稳定性的增长。如果我们可以在设计中添加一些东西来塑造冲击波，那么我们就可以控制能量传递到金属衬里的方式。”

爆炸实验期间拍摄的闪光X射线照片显示，硅酮缓冲器能够可靠、一致地减轻潜在的不稳定性。

通过一系列的实验，该团队发现了一些关于流体动力学不稳定性的突破性发现，包括如何完全抑制被称为Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)的不稳定性。RMI由于其不可预测的性质以及在承受极端动态载荷的材料中的作用而受到特别关注。

这项研究直接适用于航空航天工程以及能源和气候安全，因为聚能射孔弹通常用于分离飞机系统或在紧急情况下关闭油管。例如，2010年深水地平线漏油事件中，通常会使用聚能射孔弹来快速关闭管道。然而，由于压力如此之高，即使是炸药也无法有效阻止泄漏。

贝洛夫说：“这只是一个例子，拥有更强大的炸药和更有效的方法来利用它们来操纵金属可以改善我们的工业生态。”

DarkStar项目揭示了人工智能/机器学习支持广泛的国家安全任务的潜力。