Ao viajar com velocidade cinco vezes maior ou mais rápida, a menor turbulência é mais do que um solavanco na estrada, disse o engenheiro aeroespacial Sandia National Laboratories, que pela primeira vez caracterizou o efeito vibracional do campo de pressão abaixo de um desses minúsculos pontos turbulentos hipersônicos.

"O problema é que essas manchas de turbulência são muito rápidas e muito pequenas, "disse a pesquisadora Katya Casper." Existem milhares de pontos turbulentos a cada segundo no fluxo hipersônico, e precisamos de técnicas muito rápidas para estudar seu comportamento. "

O campo de pressão é a chave para entender como pontos turbulentos intermitentes sacodem uma aeronave voando a Mach 5 ou superior, Casper disse. Os veículos hipersônicos estão sujeitos a altos níveis de pressões flutuantes e devem ser projetados para suportar as vibrações resultantes.

Simplificando, ser capaz de caracterizar e prever esses pontos de pressão leva a um design melhor do veículo.

"A compreensão dos campos de pressão instáveis ​​é extremamente importante para a modelagem de aplicações de veículos de vôo hipersônicos para uma variedade de programas de segurança nacional, "disse Basil Hassan, gerente sênior no escritório do Programa de Ciência e Tecnologia Avançada da Sandia.

"Este trabalho de desenvolvimento de diagnóstico avançado forma conjuntos de dados exclusivos para descoberta fundamental e validação de modelo em Sandia e tem sido usado para melhorar as previsões de voo para vários programas nacionais de voo hipersônico, "Hassan disse.

Nos últimos anos, Os experimentos de Casper progrediram do uso de sensores eletrônicos em miniatura para técnicas de imagem avançadas com tinta sensível à pressão, que é aplicado a um modelo testado em um túnel de vento e visualizado por câmeras especializadas para medir opticamente as flutuações de pressão.

O Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica citou recentemente a descoberta de Casper na caracterização de pontos turbulentos hipersônicos e seu trabalho com a nova instrumentação de pressão flutuante ao anunciar no início deste ano que ela havia ganhado o prêmio Lawrence Sperry da organização, dado para contribuições notáveis ​​no campo por uma pessoa de 35 anos ou menos.

Como pontos turbulentos vibram veículos hipersônicos

Os experimentos de Casper caracterizando pontos turbulentos hipersônicos usaram técnicas de diagnóstico inovadoras para fornecer uma visão sobre a interação entre as flutuações de pressão e a resposta estrutural do veículo.

Com técnicas de imagem avançadas e sensores de alta velocidade, o trabalho mostrou que as flutuações de pressão de transição são geradas por pontos turbulentos intermitentes que passam em um milissegundo. Conforme as manchas crescem, eles se fundem em uma camada totalmente turbulenta. Os dados que Casper capturou foram fundamentais para melhorar as simulações de computador preditivas desenvolvidas por seus colegas na Sandia.

Usando um modelo em forma de cone com um painel fino integrado embutido com sensores de pressão e acelerômetros no túnel de vento hipersônico de Sandia, Casper estudou a resposta, ou vibração, para pontos turbulentos.

Quando a frequência dos pontos turbulentos que passam combinou com a frequência estrutural natural do painel, forte ressonância foi gerada com níveis de vibração mais de 200 vezes maiores do que quando os pontos foram incompatíveis com o painel, ela disse. "Este seria o pior cenário para o vôo." Agora, os engenheiros têm um meio aprimorado de prever esse cenário e se adaptar a ele.

Jateamento de tinta para medir a pressão

Muito do trabalho de Casper ocorre nos túneis de vento de Sandia, mas não para por aí. Ano passado, Casper migrou diagnósticos de pressão semelhantes para o tubo de explosão de Sandia para demonstrar em testes de campo maiores a técnica de pintura sensível à pressão usada pela primeira vez nos túneis de vento. Ela combinou iluminação intrincada, câmeras de alta velocidade e a química cuidadosamente formulada da tinta sensível à pressão para capturar o efeito de uma onda de choque rolando por um veículo.

Como os pontos turbulentos no túnel de vento, a onda de choque cria carga de pressão instável que pode fazer vibrar um veículo de vôo.

Com uma carga explosiva detonada em uma extremidade do tubo de explosão de 6 pés de diâmetro, uma onda de choque viaja pelo tubo antes de atingir um modelo na outra extremidade. Tradicionalmente, centenas de pequenos sensores de pressão seriam colocados no modelo para medir a força. Em vez de, Casper propôs o uso de tinta sensível à pressão.

"Com sensores, você só pode obter leituras de pressão em locais discretos de onde eles são colocados, "Casper disse." Com a tinta você pode obter dados em qualquer lugar.

Em agosto, a tinta foi pintada em um modelo de cone de nariz. Quatro de alta potência, luzes ultravioleta resfriadas a água brilhavam na pintura sensível à pressão, causando fluorescência. Quanto mais oxigênio a tinta é exposta, menos fluorescência. Quanto maior a pressão, quanto maior o oxigênio. Assim, quando a onda de choque da explosão passou sobre o modelo, aumentando a pressão em sua superfície, a intensidade do brilho da tinta diminuiu.

Pego em uma câmera de alta velocidade disparando a 25 quilohertz (ou 25, 000 ciclos por segundo) com um filtro usado para bloquear a iluminação ultravioleta, o resultado é uma sombra escura crescendo sobre o modelo da ponta à base; e então, quando um choque refletido passa, a sombra invade da base à ponta.

A mudança no florescimento da tinta pode ser calibrada para a quantidade de pressão exercida no modelo.

Casper e a equipe realizaram oito testes com tubos de explosão em dois dias e aprenderam algumas lições valiosas com os primeiros testes de seu tipo. Por exemplo, os testes coletam dados melhores quando está escuro, ou pelo menos nublado, já que a luz solar interfere no florescimento da tinta.

"É uma nova abordagem para medir a pressão levada ao tubo de explosão, "ela disse." No geral, os testes foram bem sucedidos, e com alguns ajustes deve ser útil para determinar como proteger objetos de ondas de choque. "