Svingende flyvekræfter fanget af nye, højteknologisk maling

Mens den tordner opad gennem Jordens atmosfære for at bringe et rumfartøj i kredsløb, en raket bliver ramt af en kaotisk luftstrøm. Ved høje hastigheder, flyvemaskiner oplever en lignende, ustabil luftstrøm over deres vinger. Dette skaber betydelige trykkræfter, der ændrer sig hurtigt i styrke og retning, især ved eller tæt på lydens hastighed.

Luftfartsforskere ved NASAs Ames Research Center i Californiens Silicon Valley raffinerer en avanceret metode til præcist at måle disse fluktuerende kræfter. Hemmeligheden bag deres teknik ligger i en ny race af trykfølsom maling (PSP), kaldet Unsteady PSP, som udsender et skarpt rødt skær i nærvær af højtryksluftstrøm.

Under en simuleret flyvning gennem planetens atmosfære i den kraftige luftstrøm i en vindtunnel, denne teknologi lader forskere fange målinger hurtigt nok til at holde trit med hurtigt skiftende trykbelastninger over hele køretøjsmodellens overflade. At opnå sådanne nøjagtige data er det første skridt i at forstå, hvordan et køretøjs struktur vil reagere på buffet under flyvning og i at minimere påvirkningerne gennem design.

Pink maling til den røde planet

Space Launch System (SLS) vil være arbejdshestens raket til NASA's Journey to Mars. Anden generation af SLS vil have en løftekapacitet på 105 tons og bære NASAs Orion-rumfartøj med besætning plus last. Indledende test antydede, at de buffetbelastninger, der ville påvirke raketten under flyvning, kunne være tilstrækkelige til at kræve redesign af kritiske strukturelle komponenter.

"For at hjælpe med at verificere buffetestimaterne, vi var nødt til at måle denne ustabile luftstrøm mere nøjagtigt, " sagde Jim Ross, en rumfartsingeniør i Experimental Aero-Physics Branch i Ames.

Den traditionelle metode til at tilnærme fluktuerende trykbelastninger på fly involverer mange små mikrofoner – op til 400 – installeret på overfladen af ​​en skalamodel, der skal studeres i en vindtunnel. Dette kan være komplekst og dyrt, og giver kun delvis dækning.

Da den originale trykfølsomme maling kom, dækningen den tilbød var en enorm forbedring. Imidlertid, da den er designet til at måle konstant tryk, de data, den leverede, repræsenterede gennemsnit over tid, i modsætning til virkelig at fange selve det fluktuerende tryk. Så, Ross og hans NASA Ames kollega, Jayanta Panda, spurgte sig selv, hvordan de kunne fastlægge de reelle tal på disse konstant skiftende trykbelastninger.

En ny formel til maling af trykbilleder

PSP virker ved at reagere med ilt for at producere lys. Trykforskelle resulterer i variationer i mængden af ​​ilt, der interagerer med den malede overflade, og, derfor, i intensiteten af ​​det udsendte lys. Kameraer omkring vindtunnelen optager billeder, som forskere kombinerer for at bestemme trykket overalt på modellen.

Den nye Unsteady PSP fungerer på samme måde som standard PSP og ser endda ens ud, når den sprøjtes på i et lag så tyndt som 10 milliontedele af en tomme. Imidlertid, den er fuld af bittesmå porer, der lader luften, der strømmer over modellen, komme i kontakt med et større overfladeareal af malingen. Dette gør det muligt for ilt at reagere hurtigere med malingen, giver mere nøjagtige data om de svingende tryk, der påvirker fly og raketter under flyvning.

Med denne PSP designet specielt til hurtige trykændringer, Ross og Panda havde fundet deres foretrukne værktøj til at fremme studiet af buffet. I en banebrydende test hos NASA Ames, i november 2015, de nåede deres mål om at måle hurtigt skiftende kræfter langs en rakets krop.

På et år, holdet bevægede sig fra proof of concept til at udvikle grundlaget for et system, der skulle bruges med raket- og flykunder, ligesom SLS-holdet, privat industri, eller militæret. Det næste skridt for teamet af forskere ved Ames vil være at installere endnu et kamera i vindtunnelen for at optimere en kommende runde af SLS-buffettest, forventes senere i år. Takket være en ny generation af højteknologisk maling, fremtidige rumfartøjer og fly vil blive bygget til at modstå alt det pres, som vi, og atmosfæren, kan sætte på dem.