Si tratta di velocità, e Laboratori Nazionali Sandia, con una galleria del vento ipersonica e un'avanzata tecnologia di diagnostica laser, è in una posizione eccellente per aiutare le agenzie di difesa degli Stati Uniti a comprendere la fisica associata agli aerei che volano cinque volte la velocità del suono.

Con potenziali avversari che riportano successi nei propri programmi per lo sviluppo di velivoli che possono essere pilotati a Mach 5 o velocità superiori, Lo sviluppo degli Stati Uniti di sistemi ipersonici autonomi è una priorità assoluta per la difesa.

Ciò ha reso l'ingegnere aerospaziale Steven Beresh del dipartimento di aeroscienze di Sandia e i suoi colleghi della galleria del vento ipersonico popolari negli ultimi tempi.

"Prima, l'atteggiamento era che il volo ipersonico era lontano 30 anni e lo sarà sempre, " disse Beres, l'ingegnere capo della galleria del vento. "Ora con le esigenze nazionali, deve essere domani. Stiamo diventando molto impegnati".

Freddo in galleria

C'è un sibilo d'aria, poi un rombo seguito da un ronzio elettrico. Dura circa 45 secondi mentre l'aria soffia nel tunnel fino al vuoto a velocità di Mach 5, 8 o 14, a seconda delle impostazioni di pressione. L'ugello Mach 5 utilizza aria ad alta pressione (azoto più ossigeno). L'azoto da solo viene utilizzato alle velocità più elevate e può essere pressurizzato a 8, 600 libbre per pollice quadrato. Per confronto, la pressione consigliata per un pneumatico per auto è solitamente compresa tra 30 e 35 psi. C'è così tanta energia potenziale, l'azoto deve essere immagazzinato in un bunker dietro muri spessi 30 cm.

Un modello, solitamente a forma di cono, la replica del cilindro o della cordiera di ciò che potrebbe essere utilizzato con i veicoli di volo è collocata nella sezione di prova del diametro di 18 pollici del tunnel. per necessità, il modello, da 4 a 5 pollici di diametro, non è una replica esatta della versione in scala reale, ma può gestire una varietà di strumentazione, modifiche alla geometria e test di rotazione. Parte del lavoro dell'ingegnere della galleria del vento è comprendere questi problemi di ridimensionamento.

All'interno della sezione test, le temperature possono diventare estremamente basse, quindi le resistenze elettriche uniche per ogni numero di Mach riscaldano i gas e prevengono la condensazione del gas. senza calore, l'aria o l'azoto si trasformano in ghiaccio nella galleria del vento. I riscaldatori funzionano essenzialmente come asciugacapelli molto grandi—asciugacapelli da 3 megawatt—che possono aumentare la temperatura dell'aria oltre i 2, 000 gradi Fahrenheit all'inizio del tunnel. Quando l'aria o i gas raggiungono la camera di prova, la temperatura può scendere fino a meno 400 gradi Fahrenheit.

Fisica a velocità ipersoniche

Quando si discute del contributo di Sandia alla ricerca ipersonica, Beresh si riferisce alla risoluzione del "problema ipersonico, " che sta fondamentalmente cercando di comprendere la fisica di come l'aria scorre su un oggetto a velocità maggiori di Mach 5.

"La fisica è enormemente difficile a velocità ipersonica, " Ha detto Beresh. L'aria e i gas reagiscono in modo diverso rispetto alla velocità subsonica; i materiali sono sottoposti a temperature e pressioni estreme; e c'è la sfida aggiuntiva dei meccanismi di guida che devono anche resistere a tali pressioni.

"Abbiamo alcune informazioni, ma non abbastanza informazioni, " ha detto. "Abbiamo avuto a che fare principalmente con veicoli di rientro. Prima, l'idea era di far sopravvivere il veicolo; Ora, ha bisogno di prosperare. Stiamo cercando di attraversarlo".

Uno dei principali punti di forza della ricerca ipersonica di Sandia è il team di persone. "Per avere davvero un impatto nella ricerca ipersonica, richiede una collaborazione tra persone che capiscono il veicolo ipersonico, persone che capiscono la fluidodinamica, persone che capiscono la scienza della misurazione e persone che capiscono le simulazioni al computer, " ha detto Daniel Richardson, un ingegnere meccanico in scienze diagnostiche. "È così che puoi iniziare a capire i fenomeni fisici sottostanti."

Matrimonio delle misure

"È il matrimonio di queste misurazioni con le capacità della galleria del vento che dà a Sandia la sua nicchia nazionale, " Beresh ha detto. "E devi avere persone che possono fare entrambe le cose lavorando insieme."

"Sandia è stata in prima linea nello sviluppo di nuove tecniche di misurazione, " Richardson ha detto. "Stiamo sempre spingendo per migliorare le capacità di misurazione".

Sandia utilizza laser avanzati per misurare la velocità dei gas che passano sopra il modello, direzione del flusso d'aria, pressione e densità dei gas e come il calore viene trasferito al modello.

"A volte si tratta di quanto puoi avvicinarti alla superficie dell'oggetto per vedere come reagiscono i gas a quella velocità, " Richardson ha detto. "Non solo davanti al modello, ma dietro di esso. L'obiettivo finale è misurare tutto, da tutte le parti, tutto il tempo."

Tempo di congelamento

Un laser puntato attraverso la finestra rettangolare della sezione di prova consente alla luce in ingresso di misurare il flusso d'aria all'interno. Negli ultimi anni, nuove capacità di misurazione sono diventate possibili con la commercializzazione di laser che operano su scale temporali a femtosecondi. È equivalente a 10-15 secondi, o 1 milionesimo di 1 miliardesimo di secondo.

"Questi impulsi laser sono molto brevi nel tempo, ma hanno un'intensità davvero alta, "Ha detto Richardson. "Alla scala temporale dei femtosecondi, quasi tutto il movimento è fermo, o congelato." Accoppiando il laser a femtosecondi a una telecamera ad alta velocità, le misurazioni possono essere eseguite migliaia di volte al secondo.

"Questa attrezzatura all'avanguardia consente a Sandia di estrarre più dati da ogni corsa in galleria del vento di quanto fosse possibile in precedenza, " ha detto Richardson.

Sviluppare e convalidare

La galleria del vento ipersonica di Sandia è relativamente economica da usare rispetto ai tunnel più grandi della NASA o dell'Air Force, ma i test possono fare molto per sviluppare capacità di modellazione e simulazione. Mescola lo sperimentale con il computazionale per far avanzare la scienza, Dissero Beresh e Richardson.

Le gallerie del vento di Sandia hanno una lunga storia di contributi alla nazione; il primo dei laboratori è stato costruito nel 1955. Anche nell'era odierna della simulazione computazionale per la pratica ingegneristica, le gallerie del vento sono fondamentali per la tecnologia aerospaziale.

"Stiamo effettuando misurazioni più accurate perché cerchiamo sempre di spingere questa capacità, " Richardson ha detto. "La galleria del vento ipersonica e la scienza della misurazione sono parti importanti della ricerca a Sandia. È un banco di prova per le capacità future".