Per uscire dall'orbita inferiore della Terra, i veicoli ipersonici devono raggiungere velocità maggiori di Mach 5. A queste velocità ipersoniche, le particelle d'aria ei gas che circolano intorno al veicolo e interagiscono con le superfici generano calore e creano onde d'urto che disturbano l'equilibrio del flusso. Una nuova ricerca presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha creato un modello per simulare e comprendere meglio le transizioni di flusso.

"A velocità ipersoniche, il flusso si muove ad alti numeri di Mach, ma ci sono anche ali o flap sul veicolo. In ognuno di quei frangenti, puoi avere un ricircolo molto forte, che porta all'instabilità. È difficile prevedere quanto grave possa diventare l'instabilità prima che il flusso non sia più regolare, e diventa turbolento, " disse Deborah Levin, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del College of Engineering presso l'U di I.

Lei e il suo dottorando Ozgur Tumuklu, insieme al professor Vassilis Theofilis dell'Università di Liverpool, ha condotto una ricerca che porta una comprensione rivoluzionaria nel campo del flusso ipersonico.

Levin ha detto che studia il flusso a un livello fondamentale per capire il flusso, le forze che il flusso può creare, e il periodo di tempo in cui il flusso rimane stabile in termini da microsecondi a millisecondi, più veloce di un battito di ciglia.

"Dagli aspetti fondamentali del flusso, quando la velocità è così alta, i gas intorno alle superfici diventano molto caldi, " Levin ha spiegato. "Il calore di attrito inizia a causare reazioni chimiche. Il gas non rimane più il 79% di azoto e il 21% di ossigeno come abbiamo nella nostra atmosfera.

"Quando si verificano tutti questi effetti, sono chiamati effetti di non equilibrio. È un fenomeno che si verifica quando l'aria si assottiglia man mano che ti muovi più velocemente, " Ha detto Levin. "Accoppiare tutto ciò - il non equilibrio e la stabilità - questo è ciò che è veramente nuovo in questa ricerca e non è mai stato fatto prima. Il risultato di questa ricerca è un modello e la capacità di utilizzare ora questa tecnica in futuro per progettare forme e indurre reazioni chimiche che indurranno o meno stabilità o la spegneranno".

Levin ha detto che parte del lavoro originale in questo campo è iniziato con esperimenti all'U di I con la professoressa Joanna Austin, prima di partire per una posizione alla California Technical. Una parte importante del suo lavoro in Illinois è stata la progettazione di una nuova struttura in grado di misurare alcune delle caratteristiche del flusso.

"Ha un tubo di espansione ipervelocità, una classe di tecniche di misurazione che possono essere utilizzate per indurre un flusso su un modello a doppio cuneo delle dimensioni della mia mano, "Levin ha detto. "Dr. Austin crea un flusso ipersonico sull'intero modello. Ha utilizzato un'enorme quantità di energia per realizzare, ma può essere utilizzato per casi a bassa densità (aria più sottile). Ma il doppio cuneo può essere una forma difficile per capire cosa sta succedendo. Abbiamo eseguito numerose simulazioni ma non siamo riusciti a ottenere il flusso per raggiungere un risultato stabile o stabile".

Levin ha affermato che la collaborazione con Theofilis ha contribuito a far progredire il lavoro, in particolare rispetto a un nuovo approccio e verso la forma del modello.

"Lui mi disse, "So che questa condizione [sic double wedge] è difficile da capire dal punto di vista della stabilità, ma se inizi a stampare dai calcoli del flusso la temperatura qui, qui, e qui, vedrai che la temperatura non si stabilizzerà mai. Vedrai turbinii e vortici che vanno e vengono». Quando un esperto ti dice che, fai attenzione, " ha detto Levi.

Una cosa che hanno fatto prima di lasciare il doppio cuneo è stata quella di "ridurre artificialmente le condizioni nel tubo di espansione dell'ipervelocità di un fattore di circa un ottavo, " Ha detto Levin. "Abbiamo ancora visto molte delle caratteristiche come gli shock, e ricircolo, ma il flusso si è calmato e siamo stati in grado di simulare uno stato stazionario".

I ricercatori hanno messo da parte per il momento il doppio cuneo e sono passati a un design a doppio cono come modello. Levi ha detto, "Ha una simmetria assiale, come una cima, ha simmetria attorno a tutti gli angoli, rendendolo molto più facile da calcolare."

La ricerca ha fornito nuove conoscenze sui punti di transizione del flusso da liscio a turbolento, che può in definitiva informare la progettazione di veicoli più sicuri.