高速实验改进了高超音速飞行预测

桑迪亚国家实验室航空航天工程师表示,当以五倍于声速或更快的速度行驶时,最微小的湍流不仅仅是道路上的颠簸,他们首次将压力场的振动效应描述为其中一个微小的高超音速湍流斑点。“问题在于这些湍流非常快,非常小,”研究员Katya Casper说。“在高超音速流动中,每秒都有成千上万的湍流点,我们需要非常快速的技术来研究它们的行为。”

Casper说,压力场是理解间歇性湍流点如何以5马赫或更高的速度飞行飞行的关键。高超音速车辆承受高水平的波动压力,必须设计成能承受由此产生的振动。

简而言之,能够表征和预测这些压力点可以改善车辆设计。

桑迪亚高级科学与技术项目办公室高级经理Basil Hassan说:“对非稳态压力场的理解对于高超音速飞行器应用于各种国家安全计划的建模非常重要。”

“这项先进的诊断开发工作为桑迪亚的基础发现和模型验证形成了独特的数据集,并已被用于改进几个国家高超音速飞行计划的飞行预测,”哈桑说。

在过去几年中,Casper的实验已经从使用微型电子传感器发展到具有压敏涂料的先进成像技术,该技术应用于在风洞中测试的模型,并通过专用相机观察以光学方式测量压力波动。

美国航空航天研究所最近引用了Casper在表征高超音速湍流斑点方面取得的突破,以及她在今年早些时候宣布她赢得该组织的劳伦斯斯佩里奖时的工作,该奖项是由35岁的人在该领域做出的显着贡献或更年轻。

湍流斑点如何振动高超音速飞行器

Casper的特征高超音速湍流斑点的实验使用创新的诊断技术来提供对压力波动和车辆结构响应之间相互作用的深入了解。

利用先进的成像技术和高速传感器,工作表明过渡压力波动是由间歇性湍流点产生的,这些湍流点在一毫秒内经过。随着斑点的增长,它们会合并成一个完全湍流的层。Casper捕获的数据有助于改善她在桑迪亚的同事开发的预测性计算机模拟。

Casper使用锥形模型,在Sandia的高超声速风洞中嵌入了压力传感器和加速度计的集成薄板,研究了对湍流点的响应或振动。

她说,当通过的湍流点的频率与面板的自然结构频率相匹配时,产生强烈的共振,振动水平比斑点与面板不匹配时大200倍。“对于这次飞行来说,这将是最糟糕的情况。”现在,工程师们已经有了改进的方法来预测这种情况并适应它。

喷砂处理以测量压力

很多卡斯帕的工作都发生在桑迪亚的风洞中,但并不止于此。去年,卡斯帕将类似的压力诊断技术迁移到桑迪亚的爆管中,以便在大型现场测试中证明首先在风洞中使用的压敏涂料技术。她结合了复杂的照明,高速相机和精心配制的压敏涂料化学,以捕捉冲击波在车辆上滚动的影响。

与风洞中的湍流点一样,冲击波会产生不稳定的压力载荷,从而使飞行器振动。

在6英尺直径的爆炸管的一端引爆炸药,冲击波穿过管子,然后撞到另一端的模型。传统上,数百个小型压力传感器将放置在模型上以测量力。相反,卡斯帕建议使用压敏涂料。

“使用传感器,你只能在它们放置位置的离散位置获得压力读数,”Casper说。“借助油漆,你可以随处获得数据。”

8月,油漆在模型鼻锥上喷涂。四个高功率水冷紫外灯照在压敏漆上,使其发出荧光。涂料暴露的氧气越多,发出的荧光越少。压力越大,氧气越大。因此,当爆炸产生的冲击波超过模型,其表面压力增加时,涂料发光强度降低。

使用用于阻挡紫外线照明的滤光器,以25千赫兹(或每秒25,000个周期)拍摄的高速相机拍摄,结果是模型从尖端到底部产生暗影;然后当反射的震动经过时,阴影从基部到尖端侵入。

涂料花期的变化可以根据施加在模型上的压力量进行校准。

卡斯帕和团队在两天内进行了八次爆破管运行,并从他们的第一次测试中学到了一些宝贵的经验教训。例如,测试会在天黑或至少混浊时收集更好的数据,因为阳光会干扰油漆的花期。

“这是一种测量爆管压力的新方法,”她说。“总体而言,测试是成功的,并且通过一些调整最终将有助于确定如何保护物体免受冲击波的影响。”

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