Amber Favaregh del Langley Research Center della NASA prepara un modello del razzo Space Launch System per i test con vernice sensibile alla pressione in una galleria del vento presso l'Ames Research Center della NASA. Credito:NASA/Dominic Hart
Mentre tuona verso l'alto attraverso l'atmosfera terrestre per portare un'astronave in orbita, un razzo è colpito da un flusso d'aria caotico. Ad alte velocità, gli aeroplani sperimentano un simile, flusso d'aria instabile sopra le loro ali. Questo crea notevoli forze di pressione che cambiano rapidamente in forza e direzione, specialmente alla o vicino alla velocità del suono.
I ricercatori aerospaziali dell'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley in California stanno perfezionando un metodo all'avanguardia per misurare con precisione queste forze fluttuanti. Il segreto della loro tecnica risiede in una nuova generazione di vernice sensibile alla pressione (PSP), chiamato PSP instabile, che emette un luminoso bagliore cremisi in presenza di flusso d'aria ad alta pressione.
Durante un volo simulato attraverso l'atmosfera del pianeta nel potente flusso d'aria di una galleria del vento, questa tecnologia consente ai ricercatori di acquisire misurazioni abbastanza velocemente da tenere il passo con carichi di pressione che cambiano rapidamente sull'intera superficie del modello del veicolo. Ottenere dati così accurati è il primo passo per capire come la struttura di un veicolo risponderà alle vibrazioni in volo e per ridurre al minimo gli impatti attraverso la progettazione.
Vernice rosa per il pianeta rosso
Lo Space Launch System (SLS) sarà il razzo da lavoro per il Journey to Mars della NASA. La seconda generazione di SLS avrà una capacità di sollevamento di 105 tonnellate e trasporterà la navicella spaziale Orion della NASA con equipaggio e carico. I test iniziali hanno suggerito che i carichi a buffet che avrebbero influenzato il razzo durante il volo potrebbero essere sufficienti per richiedere la riprogettazione dei componenti strutturali critici.
"Per aiutare a verificare le stime del buffet, abbiamo dovuto misurare questo flusso d'aria instabile in modo più accurato, " ha detto Jim Ross, un ingegnere aerospaziale nel ramo sperimentale di aerofisica ad Ames.
Questo video è una visualizzazione delle misurazioni a copertura totale delle forze di pressione fluttuanti che influenzano un razzo durante il lancio simulato di un test in galleria del vento. Gli aerei e i veicoli spaziali devono essere progettati per resistere a queste forze dinamiche, chiamato buffetto, o rischiare di essere fatto a pezzi. Le variazioni di pressione sono visualizzate come colori (rosso:pressione superiore alla media; blu:pressione inferiore alla media), e rappresentano i momenti prima che il razzo raggiunga velocità supersoniche. Un nuovo tipo di vernice sensibile alla pressione rende possibili misurazioni così accurate. Credito:NASA Ames Research Center/Scott Murman
Il metodo tradizionale per approssimare i carichi di pressione fluttuanti sugli aerei prevede molti piccoli microfoni – fino a 400 – installati sulla superficie di un modello in scala da studiare in una galleria del vento. Questo può essere complesso e costoso, e offre solo una copertura parziale.
Quando è arrivata la vernice originale sensibile alla pressione, la copertura che offriva era un enorme miglioramento. Però, poiché è stato progettato per misurare la pressione costante, i dati forniti rappresentavano medie nel tempo, invece di catturare veramente la pressione fluttuante stessa. Così, Ross e il suo collega della NASA Ames, Jayanta Panda, si sono chiesti come avrebbero potuto definire i numeri reali su questi carichi di pressione in continua evoluzione.
Una nuova formula per dipingere le immagini a pressione
La PSP funziona reagendo con l'ossigeno per produrre luce. Le differenze di pressione comportano variazioni nella quantità di ossigeno che interagisce con la superficie verniciata, e, perciò, nell'intensità della luce emessa. Le telecamere intorno alla galleria del vento registrano immagini, che i ricercatori combinano per determinare la pressione ovunque sul modello.
La nuova Unsteady PSP funziona allo stesso modo della PSP standard e ha lo stesso aspetto anche se spruzzata su uno strato sottile fino a 10 milionesimi di pollice. Però, è pieno di minuscoli pori che consentono all'aria che scorre sul modello di entrare in contatto con una superficie maggiore della vernice. Ciò consente all'ossigeno di reagire più rapidamente con la vernice, fornendo dati più accurati sulle pressioni fluttuanti che colpiscono aerei e razzi durante il volo.
Con questa PSP progettata specificamente per rapidi cambi di pressione, Ross e Panda avevano trovato il loro strumento preferito per far progredire lo studio del buffet. In un test innovativo alla NASA Ames, nel novembre 2015, hanno raggiunto il loro obiettivo di misurare le forze che cambiano rapidamente lungo il corpo di un razzo.
In un anno, il team è passato dalla prova del concetto allo sviluppo delle basi di un sistema da utilizzare con i clienti di razzi e aerei, come il team SLS, industria privata, o i militari. Il prossimo passo per il team di ricercatori di Ames sarà installare un'altra telecamera nella galleria del vento per ottimizzare un prossimo ciclo di test a buffet SLS, previsto entro la fine dell'anno. Grazie a una nuova generazione di vernici ad alta tecnologia, i futuri veicoli spaziali e aerei saranno costruiti per resistere a tutta la pressione che noi, e l'atmosfera, possono metterci sopra.
