Vindtunnel og lasere giver hypersonisk prøveplads ved Sandia National Laboratories

Det handler om hastighed, og Sandia National Laboratories, med en hypersonisk vindtunnel og avanceret laserdiagnoseteknologi, er i en fremragende position til at hjælpe amerikanske forsvarsagenturer med at forstå fysikken i forbindelse med fly, der flyver fem gange lydens hastighed.

Med potentielle modstandere, der rapporterer succeser i deres egne programmer for at udvikle fly, der kan flyves med Mach 5 eller højere hastigheder, U.S.A. udvikling af autonome hypersoniske systemer er en topprioritet i forsvaret.

Det har gjort rumfartsingeniør Steven Beresh fra Sandias aeroscience-afdeling og hans kolleger ved den hypersoniske vindtunnel populære på det seneste.

"Før, holdningen var, at hypersonisk flyvning var 30 år væk og altid vil være, " sagde Beresh, den ledende vindtunnelingeniør. "Nu med de nationale behov, det skal være i morgen. Vi får meget travlt."

Koldt i tunnelen

Der er et sus af luft, derefter en rumlen efterfulgt af en elektrisk brummen. Det varer omkring 45 sekunder, mens luft blæser ned gennem tunnelen til et vakuum med hastigheder på 5 Mach, 8 eller 14, afhængig af trykindstillinger. Mach 5-dysen bruger højtryksluft (nitrogen plus ilt). Nitrogen alene bruges ved de højere hastigheder og kan sættes under tryk til 8, 600 pund per kvadrattomme. Til sammenligning, anbefalet tryk for et bildæk er normalt mellem 30 og 35 psi. Der er så meget potentiel energi, kvælstof skal opbevares i en bunker bag 1 fods tykke vægge.

En model - normalt formet som en kegle, cylinder eller halestykke replika af hvad der kan bruges med flyvekøretøjer - er placeret i tunnelens 18-tommer diameter testsektion. af nødvendighed, modellen, 4 til 5 tommer i diameter, er ikke en nøjagtig kopi af fuldskalaversionen, men kan håndtere en række forskellige instrumenteringer, geometriændringer og spintest. En del af vindtunnelingeniørens job er at forstå disse skaleringsproblemer.

Inde i testsektionen, temperaturer kan blive ekstremt lave, så elektriske modstandsvarmere, der er unikke for hvert Mach-tal, opvarmer gasserne og forhindrer kondensering af gassen. Uden varme, luften eller nitrogenet bliver til is i vindtunnelen. Varmeapparaterne fungerer i det væsentlige som meget store hårtørrere - 3 megawatt hårtørrere - der kan hæve lufttemperaturen til over 2, 000 grader Fahrenheit i begyndelsen af ​​tunnelen. Når luft eller gasser når til testkammeret, temperaturen kan falde helt ned til minus 400 grader Fahrenheit.

Fysik ved hypersoniske hastigheder

Når vi diskuterer Sandias bidrag til hypersonisk forskning, Beresh henviser til at løse "hypersonikproblemet, " som dybest set forsøger at forstå fysikken i, hvordan luft strømmer over et objekt med hastigheder større end Mach 5.

"Fysikken er enormt vanskelig ved hypersonisk hastighed, " sagde Beresh. Luften og gasserne reagerer anderledes end ved subsonisk hastighed; materialer udsættes for ekstreme temperaturer og tryk, og der er den ekstra udfordring, at styremekanismer også skal modstå disse tryk.

"Vi har nogle oplysninger, men ikke nok information, " sagde han. "Vi har mest beskæftiget os med re-entry køretøjer. Før, tanken var bare at lade køretøjet overleve; nu, det skal trives. Vi prøver at flyve igennem det."

En stor styrke ved hypersonisk forskning hos Sandia er holdet af mennesker. "For virkelig at få indflydelse i hypersonisk forskning, det kræver et samarbejde mellem mennesker, der forstår det hypersoniske køretøj, mennesker, der forstår væskedynamikken, folk, der forstår målevidenskaben og folk, der forstår computersimuleringerne, " sagde Daniel Richardson, en maskiningeniør i diagnostiske videnskaber. "Sådan kan du begynde at forstå de underliggende fysiske fænomener."

Ægteskab af mål

"Det er kombinationen af ​​disse målinger med vindtunnelkapaciteten, der giver Sandia sin nationale niche, " sagde Beresh. "Og du er nødt til at have folk, der kan begge dele, arbejde sammen."

"Sandia har været på forkant med at udvikle nye måleteknikker, " sagde Richardson. "Vi presser hele tiden på for at forbedre målemulighederne."

Sandia bruger avancerede lasere til at måle hastigheden af ​​de gasser, der passerer over modellen, luftstrømmens retning, gassernes tryk og tæthed og hvordan varme overføres til modellen.

"Nogle gange handler det om, hvor tæt du kan komme på objektets overflade for at se, hvordan gasser reagerer med den hastighed, " sagde Richardson. "Ikke kun foran modellen, men bag den. Det ultimative mål er at måle alt, overalt, hele tiden."

Frysetid

En laser rettet gennem testsektionens rektangulære vindue gør det muligt for lyset, der kommer ind, at måle luftstrømmen indeni. I de seneste år, nye målemuligheder er blevet mulige med kommercialiseringen af ​​lasere, der opererer på femtosekunds tidsskalaer. Det svarer til 10-15 sekunder, eller 1 milliontedel af 1 milliardtedel af et sekund.

"Disse laserimpulser er meget korte i tid, men har virkelig høj intensitet, " sagde Richardson. "På femtosekund tidsskalaen, næsten al bevægelse er stoppet, eller frosset." Ved at koble femtosekund-laseren til et højhastighedskamera, målinger kan udføres tusindvis af gange i sekundet.

"Dette banebrydende udstyr gør det muligt for Sandia at udtrække flere data fra hver vindtunnelkørsel end tidligere muligt, " sagde Richardson.

Udvikle og validere

Sandias hypersoniske vindtunnel er relativt billig at bruge i sammenligning med større tunneler hos NASA eller luftvåbnet, men test kan gå langt for at udvikle modellerings- og simuleringsevner. Det blander det eksperimentelle med det beregningsmæssige for at skubbe videnskaben fremad, sagde Beresh og Richardson.

Sandias vindtunneller har en lang historie med at bidrage til nationen; laboratoriernes første blev bygget i 1955. Selv i nutidens æra med beregningssimulering til ingeniørpraksis, vindtunneller er nøglen til rumfartsteknologi.

"Vi laver mere nøjagtige målinger, fordi vi altid forsøger at skubbe den evne, " sagde Richardson. "Den hypersoniske vindtunnel og målevidenskab er vigtige dele af forskningen på Sandia. Det er et bevisgrundlag for fremtidig kapacitet."