Het gaat om snelheid, en Sandia Nationale Laboratoria, met een hypersonische windtunnel en geavanceerde diagnostische lasertechnologie, bevindt zich in een uitstekende positie om Amerikaanse defensie-instanties te helpen de fysica te begrijpen die verband houdt met vliegtuigen die vijf keer de snelheid van het geluid vliegen.

Met potentiële tegenstanders die successen rapporteren in hun eigen programma's om vliegtuigen te ontwikkelen die met Mach 5 of hogere snelheden kunnen worden gevlogen, De Amerikaanse ontwikkeling van autonome hypersonische systemen is een topprioriteit voor defensie.

Dat heeft lucht- en ruimtevaartingenieur Steven Beresh van Sandia's luchtvaartafdeling en zijn collega's bij de hypersonische windtunnel de laatste tijd populair gemaakt.

"Voordat, de houding was dat hypersonische vlucht 30 jaar verwijderd was en altijd zal zijn, " zei Beresh, de leidende windtunnelingenieur. "Nu met de nationale behoeften, het moet morgen zijn. We krijgen het erg druk."

Koud in de tunnel

Er is een suizende lucht, dan een gerommel gevolgd door een elektrisch gezoem. Het duurt ongeveer 45 seconden terwijl lucht door de tunnel naar een vacuüm blaast met snelheden van Mach 5, 8 of 14, afhankelijk van de drukinstellingen. Het Mach 5-mondstuk maakt gebruik van hogedruklucht (stikstof plus zuurstof). Stikstof alleen wordt gebruikt bij de hogere snelheden en kan onder druk worden gezet tot 8, 600 pond per vierkante inch. Ter vergelijking, aanbevolen druk voor een autoband is meestal tussen 30 en 35 psi. Er is zoveel potentiële energie, stikstof moet worden opgeslagen in een bunker achter anderhalve meter dikke muren.

Een model - meestal in de vorm van een kegel, replica van een cilinder of staartstuk van wat zou kunnen worden gebruikt met vluchtvoertuigen - wordt in het testgedeelte met een diameter van 18 inch van de tunnel geplaatst. Noodgedwongen, het model, 4 tot 5 inch in diameter, is geen exacte replica van de volledige versie, maar kan een verscheidenheid aan instrumentatie aan, geometrieveranderingen en spintesten. Een deel van de taak van de windtunnelingenieur is om die schaalproblemen te begrijpen.

Binnen het testgedeelte, temperaturen kunnen extreem laag worden, dus elektrische weerstandsverwarmers die uniek zijn voor elk Mach-nummer, verwarmen de gassen en voorkomen condensatie van het gas. Zonder warmte, de lucht of stikstof verandert in ijs in de windtunnel. De verwarmers werken in wezen als zeer grote haardrogers - haardrogers van 3 megawatt - die de luchttemperatuur boven 2 kunnen verhogen, 000 graden Fahrenheit aan het begin van de tunnel. Tegen de tijd dat lucht of gassen in de testkamer komen, de temperatuur kan dalen tot min 400 graden Fahrenheit.

Natuurkunde met hypersonische snelheden

Bij het bespreken van Sandia's bijdrage aan hypersonisch onderzoek, Beresh verwijst naar het oplossen van het "hypersonica-probleem, " wat in feite probeert de fysica te begrijpen van hoe lucht over een object stroomt met snelheden groter dan Mach 5.

"De fysica is enorm moeilijk bij hypersonische snelheid, "Zei Beresh. De lucht en gassen reageren anders dan bij subsonische snelheid; materialen worden onder extreme temperaturen en druk geplaatst; en er is de extra uitdaging van geleidingsmechanismen die ook bestand moeten zijn tegen die druk.

"We hebben informatie, maar niet genoeg informatie, " zei hij. "We hebben vooral te maken gehad met voertuigen die weer binnenkomen. Voordat, het idee was om het voertuig gewoon te laten overleven; nu, het moet gedijen. We proberen er doorheen te vliegen."

Een grote kracht van hypersonisch onderzoek bij Sandia is het team van mensen. "Om echt impact te maken in hypersonisch onderzoek, het vereist een samenwerking tussen mensen die het hypersonische voertuig begrijpen, mensen die de vloeistofdynamica begrijpen, mensen die de meetwetenschap begrijpen en mensen die de computersimulaties begrijpen, " zei Daniël Richardson, een werktuigbouwkundig ingenieur in de diagnostische wetenschappen. "Zo kun je de onderliggende fysieke verschijnselen beginnen te begrijpen."

Huwelijk van metingen

"Het is het huwelijk van deze metingen met de windtunnelmogelijkheden die Sandia zijn nationale niche geeft, "Zei Beresh. "En je moet mensen hebben die allebei kunnen samenwerken."

"Sandia heeft een voortrekkersrol gespeeld bij het ontwikkelen van nieuwe meettechnieken, " zei Richardson. "We zijn altijd aan het pushen om de meetmogelijkheden te verbeteren."

Sandia gebruikt geavanceerde lasers om de snelheid te meten van de gassen die over het model gaan, richting van de luchtstroom, druk en dichtheid van de gassen en hoe warmte wordt overgedragen aan het model.

"Soms gaat het erom hoe dicht je bij het oppervlak van het object kunt komen om te zien hoe gassen met die snelheid reageren, " zei Richardson. "Niet alleen voor het model, maar erachter. Het uiteindelijke doel is om alles te meten, overal, altijd."

Bevriezingstijd

Een laser die door het rechthoekige venster van de testsectie wordt gericht, laat het licht binnenkomen om de luchtstroom naar binnen te meten. In recente jaren, nieuwe meetmogelijkheden zijn mogelijk geworden met de commercialisering van lasers die werken op femtoseconde tijdschalen. Dat komt overeen met 10-15 seconden, of 1 miljoenste van 1 miljardste van een seconde.

"Deze laserpulsen zijn erg kort in tijd, maar hebben echt een hoge intensiteit, " zei Richardson. "Op de femtoseconde tijdschaal, bijna alle beweging wordt gestopt, of bevroren." Door de femtoseconde laser te koppelen aan een hogesnelheidscamera, metingen kunnen duizenden keren per seconde worden uitgevoerd.

"Met deze geavanceerde apparatuur kan Sandia meer gegevens uit elke windtunnelrun halen dan voorheen mogelijk was, ' zei Richardson.

Ontwikkelen en valideren

Sandia's hypersonische windtunnel is relatief goedkoop in gebruik in vergelijking met grotere tunnels bij NASA of de luchtmacht, maar tests kunnen een grote bijdrage leveren aan de ontwikkeling van modellerings- en simulatiemogelijkheden. Het combineert het experimentele met het computationele om de wetenschap vooruit te helpen, Beresh en Richardson zeiden.

Sandia's windtunnels hebben een lange geschiedenis van bijdragen aan de natie; de eerste labs werden gebouwd in 1955. Zelfs in het huidige tijdperk van computationele simulatie voor technische praktijk, windtunnels zijn de sleutel tot ruimtevaarttechnologie.

"We doen nauwkeurigere metingen omdat we altijd proberen die mogelijkheid te pushen, " zei Richardson. "De hypersonische windtunnel- en meetwetenschap zijn belangrijke onderdelen van het onderzoek bij Sandia. Het is een proeftuin voor toekomstige capaciteiten."