Para salir de la órbita inferior de la Tierra, Los vehículos hipersónicos deben alcanzar velocidades superiores a Mach 5. A estas velocidades hipersónicas, las partículas de aire y los gases que fluyen alrededor del vehículo e interactúan con las superficies generan calor y crean ondas de choque que alteran el equilibrio del flujo. Una nueva investigación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign creó un modelo para simular y comprender mejor las transiciones de flujo.

"A velocidades hipersónicas, el flujo se mueve a altos números de Mach, pero también hay alas o flaps en el vehículo. En cada una de esas coyunturas, puede tener una recirculación muy fuerte, lo que conduce a la inestabilidad. Es difícil predecir qué tan grave puede llegar a ser la inestabilidad antes de que el flujo ya no sea suave, y se vuelve turbulento, "dijo Deborah Levin, profesor del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Facultad de Ingeniería de la U de I.

Ella y su estudiante de doctorado Ozgur Tumuklu, junto con el profesor Vassilis Theofilis de la Universidad de Liverpool, realizó una investigación que aporta una comprensión revolucionaria al campo del flujo hipersónico.

Levin dijo que estudia el flujo a un nivel muy fundamental para comprender el flujo, las fuerzas que el flujo puede crear, y el tiempo que el flujo permanece estable en términos de microsegundos a milisegundos, más rápido que un abrir y cerrar de ojos.

"Desde los aspectos fundamentales del flujo, cuando la velocidad es tan alta, los gases alrededor de las superficies se calientan mucho, "Levin explicó." El calor por fricción comienza a causar reacciones químicas. El gas ya no sigue siendo 79 por ciento de nitrógeno y 21 por ciento de oxígeno como tenemos en nuestra atmósfera.

"Cuando ocurren todos estos efectos, se llaman efectos de no equilibrio. Es un fenómeno que ocurre cuando el aire se vuelve más delgado a medida que te mueves más rápido, "Dijo Levin." Combinar todo eso, el no equilibrio y la estabilidad, eso es lo realmente novedoso de esta investigación y no se ha hecho antes. El resultado de esta investigación es un modelo y la capacidad de usar ahora esta técnica en el futuro para diseñar formas e inducir reacciones químicas que inducirán o no estabilidad o la apagarán ".

Levin dijo que parte del trabajo original en este campo comenzó con experimentos en la U de I con la profesora Joanna Austin, antes de dejar un puesto en California Technical. Una parte importante de su trabajo en Illinois consistió en diseñar una nueva instalación que pudiera medir algunas de las características del flujo.

"Tiene un tubo de expansión de hipervelocidad, una clase de técnicas de medición que se pueden utilizar para inducir un flujo sobre un modelo de doble cuña del tamaño de mi mano, "Dijo Levin." Dr. Austin crea un flujo hipersónico sobre todo el modelo. Usó una gran cantidad de energía para lograrlo, pero se puede usar para casos de baja densidad (aire más delgado). Pero la doble cuña puede ser una forma difícil de entender qué está pasando. Realizamos numerosas simulaciones, pero no pudimos conseguir que el flujo alcanzara un resultado estable o estable ".

Levin dijo que colaborar con Theofilis ayudó a hacer avanzar el trabajo, particularmente con respecto a un nuevo enfoque y hacia la forma del modelo.

"Él me dijo, 'Sé que esta condición [sic doble cuña] es difícil de entender desde el punto de vista de la estabilidad, pero si comienza a imprimir a partir de sus cálculos de flujo la temperatura aquí, aquí, y aquí, Verás que la temperatura nunca se estabilizará. Verás remolinos y vórtices que van y vienen. Cuando un experto te dice eso, prestas atención, "Dijo Levin.

Una cosa que hicieron antes de dejar la doble cuña fue "reducir artificialmente las condiciones en el tubo de expansión de hipervelocidad en un factor de aproximadamente un octavo, ", Dijo Levin." Todavía vimos muchas de las características como los amortiguadores, y recirculación, pero el flujo se calmó y pudimos simular un estado estable ".

Los investigadores dejaron de lado la doble cuña por el momento y pasaron a un diseño de doble cono como modelo. Levin dijo, "Tiene simetría axial, como una peonza, tiene simetría alrededor de todos los ángulos, lo que hace que sea mucho más fácil de calcular ".

La investigación proporcionó una nueva comprensión sobre los puntos de transición en el flujo de suave a turbulento, que, en última instancia, puede informar un diseño de vehículos más seguro.