Se trata de velocidad y Sandia National Laboratories, con un túnel de viento hipersónico y tecnología de diagnóstico láser avanzada, se encuentra en una excelente posición para ayudar a las agencias de defensa de EE. UU. a comprender la física asociada con los aviones que vuelan cinco veces la velocidad del sonido.

Con adversarios potenciales que reportan éxitos en sus propios programas para desarrollar aviones que pueden volar a Mach 5 o velocidades mayores, El desarrollo estadounidense de sistemas hipersónicos autónomos es una de las principales prioridades de defensa.

Eso ha hecho que el ingeniero aeroespacial Steven Beresh del departamento de aerociencias de Sandia y sus colegas en el túnel de viento hipersónico sean populares en los últimos tiempos.

"Antes, la actitud era que el vuelo hipersónico estaba a 30 años de distancia y siempre lo será, "dijo Beresh, el ingeniero principal del túnel de viento. "Ahora con las necesidades nacionales, tiene que ser mañana. Estamos muy ocupados ".

Frio en el tunel

Hay un soplo de aire luego un estruendo seguido de un zumbido eléctrico. Dura unos 45 segundos mientras el aire sopla por el túnel hacia un vacío a velocidades de Mach 5, 8 o 14, dependiendo de los ajustes de presión. La boquilla Mach 5 utiliza aire a alta presión (nitrógeno más oxígeno). El nitrógeno solo se usa a velocidades más altas y se puede presurizar a 8, 600 libras por pulgada cuadrada. Para comparacion, La presión recomendada para un neumático de automóvil suele estar entre 30 y 35 psi. Hay tanta energía potencial el nitrógeno debe almacenarse en un búnker detrás de paredes de 1 pie de espesor.

Un modelo, generalmente con forma de cono, Cilindro o réplica de la cola de lo que podría usarse con vehículos de vuelo:se coloca en la sección de prueba de 18 pulgadas de diámetro del túnel. Por necesidad, el modelo, 4 a 5 pulgadas de diámetro, no es una réplica exacta de la versión a gran escala, pero puede manejar una variedad de instrumentación, cambios de geometría y pruebas de giro. Parte del trabajo del ingeniero del túnel de viento es comprender esos problemas de escala.

Dentro de la sección de prueba, las temperaturas pueden llegar a ser extremadamente bajas, de modo que los calentadores de resistencia eléctrica únicos para cada número de Mach calientan los gases y evitan la condensación del gas. Sin calor el aire o nitrógeno se convierte en hielo en el túnel de viento. Básicamente, los calentadores funcionan como secadores de pelo muy grandes (secadores de pelo de 3 megavatios) que pueden elevar la temperatura del aire por encima de 2, 000 grados Fahrenheit al comienzo del túnel. Para cuando el aire o los gases lleguen a la cámara de prueba, la temperatura puede descender hasta menos 400 grados Fahrenheit.

Física a velocidades hipersónicas

Al discutir la contribución de Sandia a la investigación hipersónica, Beresh se refiere a resolver el "problema hipersónico, "que básicamente trata de comprender la física de cómo el aire fluye sobre un objeto a velocidades superiores a Mach 5.

"La física es enormemente difícil a velocidad hipersónica, ", Dijo Beresh. El aire y los gases reaccionan de manera diferente a la velocidad subsónica; los materiales se someten a temperaturas y presiones extremas; y existe el desafío adicional de que los mecanismos de guía también deben resistir esas presiones".

"Tenemos alguna información, pero no hay suficiente información, ", dijo." Hemos estado lidiando principalmente con vehículos de reingreso. Antes, la idea era que el vehículo sobreviviera; ahora, necesita prosperar. Estamos tratando de atravesarlo volando ".

Una de las principales fortalezas de la investigación hipersónica en Sandia es el equipo de personas. "Para realmente tener un impacto en la investigación hipersónica, Requiere una colaboración entre personas que entienden el vehículo hipersónico, personas que entienden la dinámica de fluidos, personas que entienden la ciencia de la medición y personas que entienden las simulaciones por computadora, "dijo Daniel Richardson, ingeniero mecánico en ciencias diagnósticas. "Así es como se puede comenzar a comprender los fenómenos físicos subyacentes".

Matrimonio de medidas

"Es la unión de estas medidas con las capacidades del túnel de viento lo que le da a Sandia su nicho nacional, ", Dijo Beresh." Y tienes que tener personas que puedan hacer ambas cosas trabajando juntas ".

"Sandia ha estado a la vanguardia del desarrollo de nuevas técnicas de medición, ", Dijo Richardson." Siempre estamos presionando para mejorar las capacidades de medición ".

Sandia está utilizando láseres avanzados para medir la velocidad de los gases que pasan sobre el modelo, dirección del flujo de aire, presión y densidad de los gases y cómo se transfiere el calor al modelo.

"A veces se trata de qué tan cerca puedes acercarte a la superficie del objeto para ver cómo reaccionan los gases a esa velocidad, "Dijo Richardson." No sólo delante del modelo, sino detrás de él. El objetivo final es medir todo, En todas partes, todo el tiempo."

Tiempo de congelación

Un láser dirigido a través de la ventana rectangular de la sección de prueba permite que la luz que entra mida el flujo de aire en el interior. En años recientes, Se han hecho posibles nuevas capacidades de medición con la comercialización de láseres que operan en escalas de tiempo de femtosegundos. Eso es equivalente a 10-15 segundos, o 1 millonésima de mil millonésima de segundo.

"Estos pulsos de láser son muy breves en el tiempo, pero tienen una intensidad muy alta, ", Dijo Richardson." En la escala de tiempo de femtosegundos, casi todo el movimiento se detiene, o congelado ". Al acoplar el láser de femtosegundos a una cámara de alta velocidad, las mediciones se pueden realizar miles de veces por segundo.

"Este equipo de vanguardia permite a Sandia extraer más datos de cada recorrido del túnel de viento de lo que era posible anteriormente, "Dijo Richardson.

Desarrollar y validar

El túnel de viento hipersónico de Sandia es relativamente barato de usar en comparación con los túneles más grandes de la NASA o la Fuerza Aérea. pero las pruebas pueden contribuir en gran medida a desarrollar capacidades de modelado y simulación. Combina lo experimental con lo computacional para impulsar la ciencia, Beresh y Richardson dijeron.

Los túneles de viento de Sandia tienen una larga historia de contribución a la nación; El primero de los laboratorios se construyó en 1955. Incluso en la era actual de simulación computacional para la práctica de la ingeniería, Los túneles de viento son clave para la tecnología aeroespacial.

"Estamos haciendo mediciones más precisas porque siempre intentamos impulsar esa capacidad, ", Dijo Richardson." El túnel de viento hipersónico y la ciencia de la medición son partes importantes de la investigación en Sandia. Es un campo de pruebas para la capacidad futura ".