Bij reizen met vijf keer de snelheid van het geluid of sneller, het kleinste beetje turbulentie is meer dan een hobbel in de weg, zei de lucht- en ruimtevaartingenieur van Sandia National Laboratories die voor het eerst het vibratie-effect van het drukveld onder een van deze kleine hypersonische turbulente plekken karakteriseerde.

"Het probleem is dat deze turbulentieplekken heel snel en heel klein zijn, " zei onderzoeker Katya Casper. "Er zijn duizenden turbulente plekken per seconde in hypersonische stroming, en we hebben echt snelle technieken nodig om hun gedrag te bestuderen."

Het drukveld is essentieel om te begrijpen hoe intermitterende turbulente plekken een vliegtuig schudden dat vliegt op Mach 5 of hoger, zei Kasper. Hypersonische voertuigen worden blootgesteld aan hoge niveaus van fluctuerende drukken en moeten worden ontworpen om de resulterende trillingen te weerstaan.

Simpel gezegd, het kunnen karakteriseren en voorspellen van deze drukplekken leidt tot een beter voertuigontwerp.

"Het begrip van onstabiele drukvelden is uiterst belangrijk voor het modelleren van hypersonische vluchtvoertuigtoepassingen voor een verscheidenheid aan nationale veiligheidsprogramma's, " zei Basil Hassan, senior manager in het Advanced Science and Technology Program-kantoor van Sandia.

"Dit geavanceerde diagnostische ontwikkelingswerk vormt unieke datasets voor fundamentele ontdekking en modelvalidatie bij Sandia en is gebruikt om vluchtvoorspellingen te verbeteren voor verschillende nationale hypersonische vluchtprogramma's, ' zei Hassan.

In de afgelopen jaren, Caspers experimenten zijn geëvolueerd van het gebruik van elektronische miniatuursensoren tot geavanceerde beeldvormingstechnieken met drukgevoelige verf, die wordt toegepast op een model dat is getest in een windtunnel en wordt bekeken door gespecialiseerde camera's om de drukschommelingen optisch te meten.

Het American Institute of Aeronautics and Astronautics noemde onlangs Casper's doorbraak in het karakteriseren van hypersonische turbulente plekken en haar werk met nieuwe fluctuerende drukinstrumenten toen ze eerder dit jaar aankondigde dat ze de Lawrence Sperry Award van de organisatie had gewonnen, gegeven voor opmerkelijke bijdragen in het veld door een persoon van 35 jaar of jonger.

Hoe turbulente plekken hypersonische voertuigen laten trillen

Casper's experimenten die hypersonische turbulente plekken karakteriseren, gebruikten innovatieve diagnostische technieken om inzicht te krijgen in de interactie tussen drukfluctuaties en de structurele respons van het voertuig.

Met geavanceerde beeldvormingstechnieken en hogesnelheidssensoren, het werk toonde aan dat tijdelijke drukfluctuaties worden gegenereerd door intermitterende turbulente plekken die in een milliseconde voorbijgaan. Naarmate de vlekken groeien, ze versmelten tot een volledig turbulente laag. De gegevens die Casper vastlegde, waren behulpzaam bij het verbeteren van voorspellende computersimulaties die zijn ontwikkeld door haar collega's bij Sandia.

Met behulp van een kegelvormig model met een geïntegreerd dun paneel ingebed met druksensoren en versnellingsmeters in Sandia's hypersonische windtunnel, Casper bestudeerde de reactie, of trillingen, naar turbulente plekken.

Toen de frequentie van de passerende turbulente plekken overeenkwam met de natuurlijke structurele frequentie van het paneel, sterke resonantie werd gegenereerd met trillingsniveaus die meer dan 200 keer groter waren dan wanneer de vlekken niet op het paneel waren afgestemd, ze zei. "Dit zou een worstcasescenario zijn voor de vlucht." Nu hebben ingenieurs een verbeterde manier om een ​​dergelijk scenario te voorspellen en zich eraan aan te passen.

Straalverf om druk te meten

Veel van Casper's werk vindt plaats in de windtunnels van Sandia, maar daar blijft het niet bij. Vorig jaar, Casper migreerde vergelijkbare drukdiagnostiek naar Sandia's straalbuis om in grotere veldtesten de drukgevoelige verftechniek aan te tonen die voor het eerst in de windtunnels werd gebruikt. Ze combineerde ingewikkelde verlichting, hogesnelheidscamera's en de zorgvuldig samengestelde chemie van drukgevoelige verf om het effect vast te leggen van een schokgolf die over een voertuig rolt.

Zoals de turbulente plekken in de windtunnel, de schokgolf creëert een onstabiele drukbelasting die een vluchtvoertuig kan trillen.

Met een explosieve lading die ontploft aan het ene uiteinde van de straalbuis met een diameter van 6 voet, een schokgolf reist door de buis voordat hij een model aan het andere uiteinde raakt. traditioneel, honderden kleine druksensoren zouden op het model worden geplaatst om de kracht te meten. In plaats daarvan, Casper stelde voor om drukgevoelige verf te gebruiken.

"Met sensoren, je kunt alleen drukmetingen krijgen op de discrete locaties waar ze zijn geplaatst, "Zei Casper. "Met de verf kun je overal data krijgen."

In augustus, de verf werd geairbrushed op een model neuskegel. Vier krachtige, watergekoelde ultraviolette lichten werden op de drukgevoelige verf geschenen, waardoor het fluoresceert. Hoe meer zuurstof de verf wordt blootgesteld, hoe minder het fluoresceert. Hoe groter de druk, hoe groter de zuurstof. Dus toen de schokgolf van de ontploffing over het model ging, toenemende druk op het oppervlak, de intensiteit van de gloed van de verf nam af.

Gevangen met een hogesnelheidscamera die schiet op 25 kilohertz (of 25, 000 cycli per seconde) met een filter dat wordt gebruikt om de ultraviolette verlichting te blokkeren, het resultaat is een donkere schaduw die over het model groeit van de punt naar de basis; en dan als een gereflecteerde schok voorbijgaat, de schaduw dringt door van de basis tot de punt.

De verandering in de florescentie van de verf kan worden gekalibreerd aan de hoeveelheid druk die op het model wordt uitgeoefend.

Casper en team voerden in twee dagen acht straalbuizen uit en leerden een paar waardevolle lessen uit de eerste tests in hun soort. Bijvoorbeeld, de tests verzamelen betere gegevens als het donker is, of op zijn minst bewolkt, omdat zonlicht de bloei van de verf verstoort.

"Het is een nieuwe benadering voor het meten van de druk naar de straalbuis, "zei ze. "Over het algemeen, de testen waren succesvol, en met een paar aanpassingen zou het uiteindelijk nuttig moeten zijn om te bepalen hoe objecten tegen schokgolven kunnen worden beschermd."