Terwijl het omhoog dondert door de atmosfeer van de aarde om een ​​ruimtevaartuig in een baan om de aarde te brengen, een raket wordt geteisterd door een chaotische luchtstroom. Bij hoge snelheden, vliegtuigen ervaren een soortgelijke, onstabiele luchtstroom over hun vleugels. Hierdoor ontstaan ​​aanzienlijke drukkrachten die snel van kracht en richting veranderen, vooral bij of dichtbij de snelheid van het geluid.

Lucht- en ruimtevaartonderzoekers van NASA's Ames Research Center in Silicon Valley in Californië zijn bezig met het verfijnen van een ultramoderne methode om deze fluctuerende krachten nauwkeurig te meten. Het geheim van hun techniek ligt in een nieuw soort drukgevoelige verf (PSP), genaamd Unsteady PSP, die een heldere karmozijnrode gloed afgeeft in de aanwezigheid van een hogedrukluchtstroom.

Tijdens een gesimuleerde vlucht door de atmosfeer van de planeet in de krachtige luchtstroom van een windtunnel, Met deze technologie kunnen onderzoekers metingen snel genoeg vastleggen om de snel veranderende drukbelastingen over het gehele oppervlak van het voertuigmodel bij te houden. Het verkrijgen van dergelijke nauwkeurige gegevens is de eerste stap om te begrijpen hoe de structuur van een voertuig tijdens de vlucht zal reageren op een botsing en om de effecten door middel van ontwerp tot een minimum te beperken.

Roze verf voor de rode planeet

Het Space Launch System (SLS) wordt de werkpaardraket voor NASA's Journey to Mars. De tweede generatie SLS zal een hefvermogen van 105 ton hebben en NASA's Orion-ruimtevaartuig met bemanning plus vracht vervoeren. Eerste tests suggereerden dat de buffetbelastingen die de raket tijdens de vlucht zouden beïnvloeden, voldoende zouden kunnen zijn om een ​​herontwerp van kritieke structurele componenten te vereisen.

"Om de schattingen van het buffet te helpen verifiëren, we moesten deze onstabiele luchtstroom nauwkeuriger meten, " zei Jim Ross, een ruimtevaartingenieur in de Experimental Aero-Physics Branch in Ames.

De traditionele methode om fluctuerende drukbelastingen op vliegtuigen te benaderen, omvat veel kleine microfoons - tot 400 - die op het oppervlak van een schaalmodel worden geïnstalleerd dat in een windtunnel moet worden bestudeerd. Dit kan ingewikkeld en kostbaar zijn, en biedt slechts een gedeeltelijke dekking.

Toen de originele drukgevoelige verf kwam, de dekking die het bood was een enorme verbetering. Echter, omdat het is ontworpen om constante druk te meten, de verstrekte gegevens vertegenwoordigden gemiddelden in de tijd, in tegenstelling tot het werkelijk opvangen van de fluctuerende druk zelf. Dus, Ross en zijn NASA Ames-collega, Jayanta Panda, vroegen zich af hoe ze de echte cijfers van deze steeds veranderende drukbelastingen konden bepalen.

Een nieuwe formule voor het schilderen van drukfoto's

PSP werkt door te reageren met zuurstof om licht te produceren. Verschillen in druk resulteren in variaties in de hoeveelheid zuurstof die in wisselwerking staat met het geverfde oppervlak, en, daarom, in de intensiteit van het uitgestraalde licht. Camera's rond de windtunnel nemen beelden op, die onderzoekers combineren om de druk overal op het model te bepalen.

De nieuwe Unsteady PSP werkt op dezelfde manier als de standaard PSP en ziet er zelfs hetzelfde uit als het wordt gespoten in een laag van slechts 10 miljoenste van een inch. Echter, het zit vol met kleine poriën die de lucht die over het model stroomt in contact laten komen met een groter oppervlak van de verf. Hierdoor kan zuurstof sneller reageren met de verf, het opleveren van nauwkeurigere gegevens over de fluctuerende drukken die vliegtuigen en raketten tijdens de vlucht beïnvloeden.

Met deze PSP die speciaal is ontworpen voor snelle drukveranderingen, Ross en Panda hadden hun favoriete hulpmiddel gevonden om de studie van buffet te bevorderen. In een baanbrekende test bij NASA Ames, in november 2015, ze bereikten hun doel om snel veranderende krachten langs het lichaam van een raket te meten.

In een jaar, het team ging van proof of concept over naar de ontwikkeling van de basis van een systeem voor gebruik met raket- en vliegtuigklanten, zoals het SLS-team, particuliere industrie, of het leger. De volgende stap voor het team van onderzoekers van Ames is om nog een camera in de windtunnel te installeren om een ​​aanstaande ronde van SLS-buffettests te optimaliseren, later dit jaar verwacht. Dankzij een nieuwe generatie hightech verf, toekomstige ruimtevaartuigen en vliegtuigen zullen worden gebouwd om alle druk te weerstaan ​​die wij, en de sfeer, erop kan zetten.