Al viajar a cinco veces la velocidad del sonido o más rápido, la más mínima turbulencia es más que un bache en la carretera, dijo el ingeniero aeroespacial de Sandia National Laboratories que por primera vez caracterizó el efecto vibratorio del campo de presión debajo de uno de estos diminutos puntos turbulentos hipersónicos.

"El problema es que estos parches de turbulencia son muy rápidos y muy pequeños, ", dijo la investigadora Katya Casper." Hay miles de puntos turbulentos cada segundo en el flujo hipersónico, y necesitamos técnicas realmente rápidas para estudiar su comportamiento ".

El campo de presión es clave para comprender cómo los puntos turbulentos intermitentes sacuden un avión que vuela a Mach 5 o más. Dijo Casper. Los vehículos hipersónicos están sujetos a altos niveles de presiones fluctuantes y deben estar diseñados para soportar las vibraciones resultantes.

Simplemente pon, Ser capaz de caracterizar y predecir estos puntos de presión conduce a un mejor diseño del vehículo.

"La comprensión de los campos de presión inestables es extremadamente importante para el modelado de aplicaciones de vehículos de vuelo hipersónicos para una variedad de programas de seguridad nacional, "dijo Basil Hassan, gerente senior de la oficina del Programa de Ciencia y Tecnología Avanzada de Sandia.

"Este trabajo de desarrollo de diagnóstico avanzado forma conjuntos de datos únicos para el descubrimiento fundamental y la validación de modelos en Sandia y se ha utilizado para mejorar las predicciones de vuelo para varios programas nacionales de vuelo hipersónico, "Dijo Hassan.

Durante los últimos años, Los experimentos de Casper han progresado desde el uso de sensores electrónicos en miniatura hasta técnicas avanzadas de imágenes con pintura sensible a la presión, que se aplica a un modelo probado en un túnel de viento y visto por cámaras especializadas para medir ópticamente las fluctuaciones de presión.

El Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica citó recientemente el avance de Casper en la caracterización de puntos turbulentos hipersónicos y su trabajo con instrumentación de presión fluctuante novedosa cuando anunció a principios de este año que había ganado el Premio Lawrence Sperry de la organización. dado por contribuciones notables en el campo por una persona de 35 años o menos.

Cómo los puntos turbulentos hacen vibrar los vehículos hipersónicos

Los experimentos de Casper que caracterizan puntos turbulentos hipersónicos utilizaron técnicas de diagnóstico innovadoras para proporcionar información sobre la interacción entre las fluctuaciones de presión y la respuesta estructural del vehículo.

Con técnicas de imagen avanzadas y sensores de alta velocidad, el trabajo mostró que las fluctuaciones de presión de transición son generadas por puntos turbulentos intermitentes que pasan en un milisegundo. A medida que crecen las manchas se funden en una capa completamente turbulenta. Los datos que Casper capturó fueron fundamentales para mejorar las simulaciones informáticas predictivas desarrolladas por sus colegas de Sandia.

Usando un modelo en forma de cono con un panel delgado integrado incrustado con sensores de presión y acelerómetros en el túnel de viento hipersónico de Sandia, Casper estudió la respuesta, o vibración, a puntos turbulentos.

Cuando la frecuencia de los puntos turbulentos que pasaban coincidía con la frecuencia estructural natural del panel, Se generó una fuerte resonancia con niveles de vibración más de 200 veces mayores que cuando los puntos no coincidían con el panel, ella dijo. "Este sería el peor de los casos para el vuelo". Ahora los ingenieros tienen un medio mejorado para predecir tal escenario y adaptarse a él.

Granallado de pintura para medir la presión

Gran parte del trabajo de Casper ocurre en los túneles de viento de Sandia, pero no se detiene ahí. El año pasado, Casper migró diagnósticos de presión similares al tubo de explosión de Sandia para demostrar en pruebas de campo más grandes la técnica de pintura sensible a la presión que se utilizó por primera vez en los túneles de viento. Ella combinó una iluminación intrincada, cámaras de alta velocidad y la química cuidadosamente formulada de la pintura sensible a la presión para capturar el efecto de una onda de choque que atraviesa un vehículo.

Como los puntos turbulentos en el túnel de viento, la onda de choque crea una carga de presión inestable que puede hacer vibrar un vehículo de vuelo.

Con una carga explosiva detonada en un extremo del tubo de explosión de 6 pies de diámetro, una onda de choque viaja a través del tubo antes de golpear un modelo en el otro extremo. Tradicionalmente, Se colocarían cientos de pequeños sensores de presión en el modelo para medir la fuerza. En lugar de, Casper propuso usar pintura sensible a la presión.

"Con sensores, solo puede obtener lecturas de presión en las ubicaciones discretas de donde se colocan, "Dijo Casper." Con la pintura puedes obtener datos en todas partes ".

En agosto, la pintura fue aplicada con aerógrafo en un cono de nariz modelo. Cuatro de alta potencia, Se iluminaron luces ultravioleta enfriadas por agua sobre la pintura sensible a la presión, haciendo que tenga fluorescencia. Cuanto más oxígeno esté expuesta a la pintura, menos fluoresce. Cuanto mayor sea la presión, cuanto mayor sea el oxígeno. Entonces, cuando la onda de choque de la explosión pasó sobre el modelo, aumentando la presión sobre su superficie, la intensidad del brillo de la pintura disminuyó.

Captado por una cámara de alta velocidad que dispara a 25 kilohercios (o 25, 000 ciclos por segundo) con un filtro utilizado para bloquear la luz ultravioleta, el resultado es una sombra oscura que crece sobre el modelo desde la punta hasta la base; y luego, cuando pasa un choque reflejado, la sombra invade desde la base hasta la punta.

El cambio en la fluorescencia de la pintura se puede calibrar según la cantidad de presión ejercida sobre el modelo.

Casper y su equipo realizaron ocho corridas de tubos explosivos durante dos días y aprendieron algunas lecciones valiosas de las primeras pruebas de su tipo. Por ejemplo, las pruebas recopilan mejores datos cuando está oscuro, o al menos nublado, ya que la luz del sol interfiere con el florecimiento de la pintura.

"Es un nuevo enfoque para medir la presión que se lleva al tubo de explosión, ", dijo." En general, las pruebas fueron exitosas, y con algunos ajustes debería ser útil en última instancia para determinar cómo proteger los objetos de las ondas de choque ".