É sobre velocidade, and Sandia National Laboratories, com um túnel de vento hipersônico e tecnologia avançada de diagnóstico a laser, está em uma excelente posição para ajudar as agências de defesa dos EUA a entender a física associada a aeronaves voando cinco vezes a velocidade do som.

Com potenciais adversários relatando sucessos em seus próprios programas para desenvolver aeronaves que podem voar em Mach 5 ou velocidades maiores, O desenvolvimento de sistemas hipersônicos autônomos nos EUA é uma prioridade de defesa.

Isso tornou o engenheiro aeroespacial Steven Beresh, do departamento de aerociências de Sandia, e seus colegas do túnel de vento hipersônico, populares recentemente.

"Antes, a atitude era que o vôo hipersônico estava a 30 anos de distância e sempre será, "disse Beresh, o principal engenheiro do túnel de vento. “Agora com as necessidades nacionais, precisa ser amanhã. Estamos ficando muito ocupados. "

Frio no túnel

Há uma lufada de ar, então um estrondo seguido por um zumbido elétrico. Isso dura cerca de 45 segundos enquanto o ar sopra pelo túnel para o vácuo a velocidades de Mach 5, 8 ou 14, dependendo das configurações de pressão. O bico Mach 5 usa ar de alta pressão (nitrogênio mais oxigênio). O nitrogênio sozinho é usado em velocidades mais altas e pode ser pressurizado a 8, 600 libras por polegada quadrada. Para comparação, a pressão recomendada para um pneu de carro é geralmente entre 30 e 35 psi. Há tanta energia potencial, o nitrogênio deve ser armazenado em um bunker atrás de paredes de 30 cm de espessura.

Um modelo - geralmente em forma de cone, cilindro ou réplica do arremate do que pode ser usado com veículos de vôo - é colocado na seção de teste de 18 polegadas de diâmetro do túnel. Por necessidade, o modelo, 4 a 5 polegadas de diâmetro, não é uma réplica exata da versão em escala real, mas pode lidar com uma variedade de instrumentação, alterações de geometria e testes de rotação. Parte do trabalho do engenheiro de túnel de vento é entender essas questões de dimensionamento.

Dentro da seção de teste, as temperaturas podem ficar extremamente baixas, portanto, os aquecedores de resistência elétrica exclusivos para cada número de Mach aquecem os gases e evitam a condensação do gás. Sem calor, o ar ou nitrogênio se transforma em gelo no túnel de vento. Os aquecedores funcionam essencialmente como secadores de cabelo muito grandes - secadores de cabelo de 3 megawatts - que podem elevar a temperatura do ar acima de 2, 000 graus Fahrenheit no início do túnel. No momento em que o ar ou gases chegam à câmara de teste, a temperatura pode cair até 400 graus Fahrenheit negativos.

Física em velocidades hipersônicas

Ao discutir a contribuição de Sandia para a pesquisa hipersônica, Beresh se refere a resolver o "problema hipersônico, "que basicamente tenta compreender a física de como o ar flui sobre um objeto a velocidades superiores a Mach 5.

"A física é extremamente difícil em velocidade hipersônica, "Beresh disse. O ar e os gases reagem de forma diferente da velocidade subsônica; os materiais são colocados sob temperaturas e pressões extremas; e há o desafio adicional de mecanismos de orientação que também precisam suportar essas pressões.

"Temos algumas informações, mas não informação suficiente, "disse ele." Temos lidado principalmente com veículos de reentrada. Antes, a ideia era apenas que o veículo sobrevivesse; agora, ele precisa prosperar. Estamos tentando voar por ele. "

Um dos pontos fortes da pesquisa hipersônica na Sandia é a equipe de pessoas. "Para realmente causar um impacto na pesquisa hipersônica, requer uma colaboração entre pessoas que entendem o veículo hipersônico, pessoas que entendem a dinâmica dos fluidos, pessoas que entendem a ciência da medição e pessoas que entendem as simulações de computador, "disse Daniel Richardson, um engenheiro mecânico em ciências diagnósticas. "É assim que você pode começar a entender os fenômenos físicos subjacentes."

Casamento de medidas

"É o casamento dessas medições com as capacidades do túnel de vento que dá à Sandia seu nicho nacional, "Beresh disse." E você tem que ter pessoas que possam fazer as duas coisas trabalhando juntas. "

"Sandia está na vanguarda do desenvolvimento de novas técnicas de medição, "Richardson disse." Estamos sempre pressionando para melhorar as capacidades de medição. "

Sandia está usando lasers avançados para medir a velocidade dos gases que passam pelo modelo, direção do fluxo de ar, pressão e densidade dos gases e como o calor é transferido para o modelo.

"Às vezes, é sobre o quão perto você pode chegar da superfície do objeto para ver como os gases estão reagindo a essa velocidade, "Richardson disse." Não apenas na frente do modelo, mas atrás dele. O objetivo final é medir tudo, em todos os lugares, o tempo todo."

Tempo de congelamento

Um laser apontado através da janela retangular da seção de teste permite que a luz que entra para medir o fluxo de ar no interior. Nos últimos anos, novos recursos de medição tornaram-se possíveis com a comercialização de lasers que operam em escalas de tempo de femtossegundos. Isso é equivalente a 10-15 segundos, ou 1 milionésimo de 1 bilionésimo de segundo.

"Esses pulsos de laser são muito curtos, mas tem uma intensidade muito alta, "Disse Richardson." Na escala de tempo do femtossegundo, quase todo o movimento é interrompido, ou congelado. "Ao acoplar o laser de femtossegundo a uma câmera de alta velocidade, as medições podem ser realizadas milhares de vezes por segundo.

"Este equipamento de ponta permite que Sandia extraia mais dados de cada túnel de vento do que era possível anteriormente, "Richardson disse.

Desenvolver e validar

O túnel de vento hipersônico de Sandia é relativamente barato de usar em comparação com túneis maiores da NASA ou da Força Aérea, mas os testes podem percorrer um longo caminho para desenvolver recursos de modelagem e simulação. Ele combina o experimental com o computacional para impulsionar a ciência, Beresh e Richardson disseram.

Os túneis de vento de Sandia têm uma longa história de contribuição para a nação; o primeiro laboratório foi construído em 1955. Mesmo na era atual de simulação computacional para a prática de engenharia, os túneis de vento são essenciais para a tecnologia aeroespacial.

"Estamos fazendo medições mais precisas porque estamos sempre tentando empurrar essa capacidade, "Disse Richardson." O túnel de vento hipersônico e a ciência da medição são partes importantes da pesquisa em Sandia. É um campo de provas para capacidade futura. "