Amber Favaregh del Langley Research Center de la NASA prepara un modelo del cohete Space Launch System para probarlo con pintura sensible a la presión en un túnel de viento en el Centro de Investigación Ames de la NASA. Crédito:NASA / Dominic Hart
Mientras trona hacia arriba a través de la atmósfera de la Tierra para llevar una nave espacial a la órbita, un cohete es golpeado por un caótico flujo de aire. A altas velocidades, los aviones experimentan una experiencia similar, flujo inestable de aire sobre sus alas. Esto crea fuerzas de presión considerables que cambian rápidamente en fuerza y dirección, especialmente a la velocidad del sonido o cerca de ella.
Los investigadores aeroespaciales del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley de California están perfeccionando un método de vanguardia para medir con precisión estas fuerzas fluctuantes. El secreto de su técnica radica en una nueva generación de pintura sensible a la presión (PSP), llamado Unsteady PSP, que emite un brillo carmesí brillante en presencia de un flujo de aire a alta presión.
Durante un vuelo simulado a través de la atmósfera del planeta en el poderoso flujo de aire de un túnel de viento, esta tecnología permite a los investigadores capturar mediciones lo suficientemente rápido para mantenerse al día con cargas de presión que cambian rápidamente en toda la superficie del modelo del vehículo. Obtener datos tan precisos es el primer paso para comprender cómo responderá la estructura de un vehículo a los golpes en vuelo y para minimizar los impactos a través del diseño.
Pintura rosa para el planeta rojo
El Space Launch System (SLS) será el cohete caballo de batalla del Viaje a Marte de la NASA. La segunda generación de SLS tendrá una capacidad de elevación de 105 toneladas métricas y llevará la nave espacial Orion de la NASA con tripulación más carga. Las pruebas iniciales sugirieron que las cargas bruscas que afectarían al cohete durante el vuelo podrían ser suficientes para requerir el rediseño de componentes estructurales críticos.
"Para ayudar a verificar las estimaciones del buffet, tuvimos que medir este flujo de aire inestable con mayor precisión, "dijo Jim Ross, ingeniero aeroespacial en la Rama de Aerofísica Experimental de Ames.
Este video es una visualización de las mediciones de cobertura total de las fuerzas de presión fluctuantes que afectan a un cohete durante el lanzamiento simulado de una prueba en un túnel de viento. Las aeronaves y las naves espaciales deben diseñarse para resistir estas fuerzas dinámicas, llamado zarandeo, o arriesgarse a que lo hagan pedazos. Los cambios de presión se visualizan como colores (rojo:presión superior a la media; azul:presión inferior a la media), y representan los momentos antes de que el cohete alcance velocidades supersónicas. Un nuevo tipo de pintura sensible a la presión permite realizar mediciones tan precisas. Crédito:Centro de Investigación Ames de la NASA / Scott Murman
El método tradicional para aproximar las cargas de presión fluctuantes en los aviones implica muchos micrófonos pequeños, hasta 400, instalados en la superficie de un modelo a escala para su estudio en un túnel de viento. Esto puede resultar complejo y costoso, y solo ofrece una cobertura parcial.
Cuando apareció la pintura sensible a la presión original, la cobertura que ofreció supuso una gran mejora. Sin embargo, ya que fue diseñado para medir presión constante, los datos que proporcionó representaron promedios a lo largo del tiempo, en lugar de capturar realmente la presión fluctuante en sí. Entonces, Ross y su colega de la NASA en Ames, Jayanta Panda, se preguntaron cómo podían precisar los números reales de estas cargas de presión en constante cambio.
Una nueva fórmula para pintar cuadros a presión
La PSP actúa reaccionando con el oxígeno para producir luz. Las diferencias de presión dan como resultado variaciones en la cantidad de oxígeno que interactúa con la superficie pintada, y, por lo tanto, en la intensidad de la luz emitida. Las cámaras alrededor del túnel de viento registran imágenes, que los investigadores combinan para determinar la presión en todas partes del modelo.
La nueva PSP Unsteady funciona de la misma manera que la PSP estándar e incluso se ve igual cuando se rocía en una capa tan fina como 10 millonésimas de pulgada. Sin embargo, está lleno de poros diminutos que permiten que el aire que fluye sobre el modelo entre en contacto con una mayor superficie de la pintura. Esto permite que el oxígeno reaccione más rápidamente con la pintura, proporcionando datos más precisos sobre las presiones fluctuantes que afectan a los aviones y cohetes durante el vuelo.
Con esta PSP diseñada específicamente para cambios rápidos de presión, Ross y Panda habían encontrado su herramienta preferida para avanzar en el estudio del buffet. En una prueba pionera en NASA Ames, en noviembre de 2015, lograron su objetivo de medir fuerzas rápidamente cambiantes a lo largo del cuerpo de un cohete.
En un año, el equipo pasó de la prueba de concepto al desarrollo de la base de un sistema para ser utilizado con clientes de cohetes y aviones, como el equipo de SLS, industria privada, o el ejército. El siguiente paso para el equipo de investigadores de Ames será instalar otra cámara en el túnel de viento para optimizar una próxima ronda de pruebas de buffet SLS. esperado a finales de este año. Gracias a una nueva generación de pintura de alta tecnología, las futuras naves espaciales y aeronaves se construirán para resistir toda la presión que nosotros, y el ambiente, puede ponerlos.
