Quando si viaggia a cinque volte la velocità del suono o più veloce, la più piccola turbolenza è più di un dosso sulla strada, ha affermato l'ingegnere aerospaziale dei Sandia National Laboratories che per la prima volta ha caratterizzato l'effetto vibrazionale del campo di pressione al di sotto di uno di questi minuscoli punti turbolenti ipersonici.

"Il problema è che queste zone di turbolenza sono davvero veloci e davvero piccole, " ha detto la ricercatrice Katya Casper. "Ci sono migliaia di punti turbolenti ogni secondo nel flusso ipersonico, e abbiamo bisogno di tecniche davvero veloci per studiare il loro comportamento".

Il campo di pressione è la chiave per capire come i punti turbolenti intermittenti scuotono un aereo che vola a Mach 5 o più, disse Casper. I veicoli ipersonici sono soggetti a livelli elevati di pressioni fluttuanti e devono essere progettati per resistere alle vibrazioni risultanti.

In poche parole, essere in grado di caratterizzare e prevedere questi punti di pressione porta a una migliore progettazione del veicolo.

"La comprensione dei campi di pressione instabili è estremamente importante per la modellazione di applicazioni di veicoli di volo ipersonici per una varietà di programmi di sicurezza nazionale, " disse Basil Hassan, senior manager nell'ufficio del programma Advanced Science and Technology di Sandia.

"Questo lavoro di sviluppo diagnostico avanzato forma set di dati unici per la scoperta fondamentale e la convalida del modello a Sandia ed è stato utilizzato per migliorare le previsioni di volo per diversi programmi di volo ipersonici nazionali, "Ha detto Hassan.

Negli ultimi anni, Gli esperimenti di Casper sono passati dall'uso di sensori elettronici in miniatura a tecniche di imaging avanzate con vernice sensibile alla pressione, che viene applicato a un modello testato in galleria del vento e visualizzato da telecamere specializzate per misurare otticamente le fluttuazioni di pressione.

L'American Institute of Aeronautics and Astronautics ha recentemente citato la svolta di Casper nel caratterizzare i punti turbolenti ipersonici e il suo lavoro con una nuova strumentazione a pressione fluttuante quando ha annunciato all'inizio di quest'anno di aver vinto il Lawrence Sperry Award dell'organizzazione, dato per notevoli contributi nel campo da una persona di età pari o inferiore a 35 anni.

Come i punti turbolenti fanno vibrare i veicoli ipersonici

Gli esperimenti di Casper che caratterizzano i punti turbolenti ipersonici hanno utilizzato tecniche diagnostiche innovative per fornire informazioni sull'interazione tra le fluttuazioni di pressione e la risposta strutturale del veicolo.

Con tecniche di imaging avanzate e sensori ad alta velocità, il lavoro ha mostrato che le fluttuazioni di pressione transitorie sono generate da punti turbolenti intermittenti che passano in un millisecondo. Man mano che le macchie crescono, si fondono in uno strato completamente turbolento. I dati acquisiti da Casper sono stati fondamentali per migliorare le simulazioni predittive al computer sviluppate dai suoi colleghi di Sandia.

Utilizzando un modello a forma di cono con un pannello sottile integrato incorporato con sensori di pressione e accelerometri nella galleria del vento ipersonica di Sandia, Casper ha studiato la risposta, o vibrazione, a punti turbolenti.

Quando la frequenza dei punti turbolenti di passaggio corrispondeva alla frequenza strutturale naturale del pannello, una forte risonanza è stata generata con livelli di vibrazione più di 200 volte maggiori rispetto a quando i punti non erano abbinati al pannello, lei disse. "Questo sarebbe lo scenario peggiore per il volo". Ora gli ingegneri hanno un mezzo migliore per prevedere un tale scenario e adattarsi ad esso.

Vernice esplosiva per misurare la pressione

Gran parte del lavoro di Casper si svolge nelle gallerie del vento di Sandia, ma non si ferma qui. L'anno scorso, Casper ha trasferito una diagnostica di pressione simile al tubo di scoppio di Sandia per dimostrare in test sul campo più ampi la tecnica di verniciatura sensibile alla pressione utilizzata per la prima volta nelle gallerie del vento. Ha combinato luci intricate, telecamere ad alta velocità e la chimica accuratamente formulata della vernice sensibile alla pressione per catturare l'effetto di un'onda d'urto che rotola su un veicolo.

Come i punti turbolenti nella galleria del vento, l'onda d'urto crea un carico di pressione instabile che può far vibrare un veicolo di volo.

Con una carica esplosiva fatta esplodere a un'estremità del tubo di scoppio di 6 piedi di diametro, un'onda d'urto attraversa il tubo prima di colpire un modello all'altra estremità. Tradizionalmente, centinaia di piccoli sensori di pressione sarebbero stati posizionati sul modello per misurare la forza. Anziché, Casper ha proposto di utilizzare vernice sensibile alla pressione.

"Con i sensori, puoi ottenere letture della pressione solo nelle posizioni discrete di dove sono posizionate, " Disse Casper. "Con la vernice puoi ottenere dati ovunque."

In agosto, la vernice è stata aerografata su un modello a cono nasale. Quattro ad alta potenza, luci ultraviolette raffreddate ad acqua brillavano sulla vernice sensibile alla pressione, facendolo diventare fluorescente. Più ossigeno è esposto alla vernice, meno è fluorescente. Maggiore è la pressione, maggiore è l'ossigeno. Quindi, quando l'onda d'urto dell'esplosione è passata sul modello, aumento della pressione sulla sua superficie, l'intensità del bagliore della vernice è diminuita.

Catturato da una telecamera ad alta velocità che riprende a 25 kilohertz (o 25, 000 cicli al secondo) con un filtro utilizzato per bloccare l'illuminazione ultravioletta, il risultato è un'ombra scura che cresce sul modello dalla punta alla base; e poi come uno shock riflesso passa, l'ombra invade dalla base alla punta.

La variazione della fluorescenza della vernice può essere calibrata alla quantità di pressione esercitata sul modello.

Casper e il team hanno condotto otto prove con il tubo esplosivo in due giorni e hanno imparato alcune lezioni preziose dai primi test del loro genere. Per esempio, i test raccolgono dati migliori quando è buio, o almeno nuvoloso, poiché la luce solare interferisce con la fioritura della vernice.

"E' un nuovo approccio per misurare la pressione portata al boccaglio, " ha detto. "Nel complesso, le prove hanno avuto esito positivo, e con alcuni aggiustamenti dovrebbe in definitiva essere utile per determinare come proteggere gli oggetti dalle onde d'urto".