Højhastighedseksperimenter forbedrer hypersoniske flyforudsigelser

Når du rejser med fem gange lydens hastighed eller hurtigere, den mindste smule turbulens er mere end et bump på vejen, sagde Sandia National Laboratories rumfartsingeniør, der for første gang karakteriserede vibrationseffekten af ​​trykfeltet under en af ​​disse små hypersoniske turbulente pletter.

"Problemet er, at disse pletter af turbulens er virkelig hurtige og virkelig små, " sagde forsker Katya Casper. "Der er tusindvis af turbulente pletter hvert sekund i hypersonisk flow, og vi har brug for virkelig hurtige teknikker til at studere deres adfærd."

Trykfeltet er nøglen til at forstå, hvordan intermitterende turbulente pletter ryster et fly, der flyver med Mach 5 eller mere, sagde Casper. Hypersoniske køretøjer udsættes for høje niveauer af svingende tryk og skal konstrueres til at modstå de resulterende vibrationer.

Kort fortalt, at være i stand til at karakterisere og forudsige disse trykpunkter fører til bedre køretøjsdesign.

"Forståelsen af ​​ustabile trykfelter er ekstremt vigtig for modellering af hypersoniske flyvefartøjsapplikationer til en række nationale sikkerhedsprogrammer, " sagde Basil Hassan, senior manager i Sandias kontor for Advanced Science and Technology Program.

"Dette avancerede diagnostiske udviklingsarbejde danner unikke datasæt til grundlæggende opdagelse og modelvalidering på Sandia og er blevet brugt til at forbedre flyforudsigelser for adskillige nationale hypersoniske flyveprogrammer, " sagde Hassan.

I løbet af de sidste mange år, Caspers eksperimenter har udviklet sig fra brugen af ​​elektroniske miniaturesensorer til avancerede billedbehandlingsteknikker med trykfølsom maling, som anvendes på en model testet i en vindtunnel og set af specialiserede kameraer for at måle tryksvingningerne optisk.

American Institute of Aeronautics and Astronautics citerede for nylig Caspers gennembrud i karakteriseringen af ​​hypersoniske turbulente pletter og hendes arbejde med nye fluktuerende trykinstrumenter, da hun tidligere i år annoncerede, at hun havde vundet organisationens Lawrence Sperry Award, givet for bemærkelsesværdige bidrag på området af en person på 35 år eller yngre.

Hvordan turbulente pletter vibrerer hypersoniske køretøjer

Caspers eksperimenter, der karakteriserer hypersoniske turbulente pletter, brugte innovative diagnostiske teknikker til at give indsigt i samspillet mellem tryksvingninger og køretøjets strukturelle reaktion.

Med avancerede billedbehandlingsteknikker og højhastighedssensorer, arbejdet viste, at overgangstryksvingninger genereres af intermitterende turbulente pletter, der passerer forbi på et millisekund. Efterhånden som pletterne vokser, de smelter sammen til et fuldt turbulent lag. De data, Casper fangede, var medvirkende til at forbedre prædiktive computersimuleringer udviklet af hendes kolleger hos Sandia.

Ved at bruge en kegleformet model med et integreret tyndt panel indlejret med tryksensorer og accelerometre ved Sandias hypersoniske vindtunnel, Casper studerede svaret, eller vibrationer, til turbulente steder.

Når frekvensen af ​​de passerende turbulente pletter matchede panelets naturlige strukturelle frekvens, stærk resonans blev genereret med vibrationsniveauer mere end 200 gange større, end når pletterne ikke matchede panelet, hun sagde. "Dette ville være et worst-case scenario for flyvningen." Nu har ingeniører et forbedret middel til at forudsige et sådant scenario og tilpasse sig det.

Blæsemaling for at måle tryk

Meget af Caspers arbejde foregår ved Sandias vindtunneller, men det stopper ikke der. Sidste år, Casper migrerede lignende trykdiagnostik til Sandias sprængrør for i større feltforsøg at demonstrere den trykfølsomme malingsteknik, der først blev brugt i vindtunnelerne. Hun kombinerede indviklet belysning, højhastighedskameraer og den omhyggeligt formulerede kemi af trykfølsom maling for at fange effekten af ​​en chokbølge, der ruller hen over et køretøj.

Som de turbulente steder i vindtunnelen, stødbølgen skaber ustabil trykbelastning, der kan vibrere et flyvetøj.

Med en sprængladning detoneret i den ene ende af sprængrøret med en diameter på 6 fod, en chokbølge rejser gennem røret, før den rammer en model i den anden ende. Traditionelt, hundredvis af små tryksensorer ville blive placeret på modellen for at måle kraften. I stedet, Casper foreslog at bruge trykfølsom maling.

"Med sensorer, du kan kun få trykaflæsninger på de diskrete steder, hvor de er placeret, " sagde Casper. "Med malingen kan du få data overalt."

I august, malingen blev airbrushet på en model næsekegle. Fire kraftige, vandkølede ultraviolette lys blev lyst på den trykfølsomme maling, får det til at fluorescere. Jo mere ilt malingen udsættes for, jo mindre fluorescerer det. Jo større pres, jo større ilt. Så da chokbølgen fra eksplosionen passerede over modellen, øget tryk på overfladen, intensiteten af ​​malingens glød faldt.

Fanget på et højhastighedskamera, der optager med 25 kilohertz (eller 25, 000 cyklusser i sekundet) med et filter, der bruges til at blokere den ultraviolette belysning, resultatet er en mørk skygge, der vokser over modellen fra spidsen til bunden; og så som et reflekteret chok passerer forbi, skyggen trænger ind fra base til spids.

Ændringen i malingens florescens kan kalibreres til mængden af ​​tryk, der udøves på modellen.

Casper og teamet gennemførte otte eksplosionsrør over to dage og lærte et par værdifulde lektioner fra de første af deres slags tests. For eksempel, testene indsamler bedre data, når det er mørkt, eller i det mindste overskyet, da sollys forstyrrer malingens florescens.

"Det er en ny tilgang til måling af tryk taget til sprængrøret, " sagde hun. "Samlet set, testene var vellykkede, og med nogle få justeringer skulle det i sidste ende være nyttigt til at bestemme, hvordan man beskytter genstande mod stødbølger."