När det dundrar uppåt genom jordens atmosfär för att bära en rymdfarkost i omloppsbana, en raket stöts av ett kaotiskt luftflöde. I höga hastigheter, flygplan upplever liknande, ostadigt luftflöde över deras vingar. Detta skapar avsevärda tryckkrafter som snabbt förändras i styrka och riktning, speciellt vid eller nära ljudets hastighet.

Flygforskare vid NASA:s Ames Research Center i Kaliforniens Silicon Valley förfinar en toppmodern metod för att exakt mäta dessa fluktuerande krafter. Hemligheten med deras teknik ligger i en ny typ av tryckkänslig färg (PSP), kallas Unsteady PSP, som avger ett starkt rödfärgat sken i närvaro av högtrycksluftflöde.

Under en simulerad flygning genom planetens atmosfär i det kraftfulla luftflödet i en vindtunnel, denna teknik låter forskare fånga mätningar tillräckligt snabbt för att hålla jämna steg med snabbt föränderliga tryckbelastningar över hela fordonsmodellens yta. Att erhålla sådan korrekt data är det första steget för att förstå hur ett fordons struktur kommer att reagera på buffé under flygning och för att minimera påverkan genom design.

Rosa färg för den röda planeten

Space Launch System (SLS) kommer att vara arbetshästens raket för NASA:s resa till Mars. Den andra generationen av SLS kommer att ha en lyftkapacitet på 105 ton och bära NASA:s Orion-farkost med besättning plus last. Inledande tester antydde att buffélasterna som skulle påverka raketen under flygning kunde vara tillräckliga för att kräva omdesign av kritiska strukturella komponenter.

"För att hjälpa till att verifiera bufféuppskattningarna, vi var tvungna att mäta detta ostadiga luftflöde mer exakt, sa Jim Ross, en flygingenjör i Experimental Aero-Physics Branch i Ames.

Den traditionella metoden för att approximera fluktuerande tryckbelastningar på flygplan involverar många små mikrofoner – upp till 400 – installerade på ytan av en skalenlig modell som ska studeras i en vindtunnel. Detta kan vara komplicerat och kostsamt, och ger endast delvis täckning.

När den ursprungliga tryckkänsliga färgen kom, täckningen den erbjöd var en enorm förbättring. Dock, eftersom den var designad för att mäta konstant tryck, uppgifterna som den tillhandahöll representerade genomsnitt över tid, i motsats till att verkligen fånga det fluktuerande trycket i sig. Så, Ross och hans NASA Ames-kollega, Jayanta Panda, frågade sig själva hur de kunde fastställa de verkliga siffrorna på dessa ständigt föränderliga tryckbelastningar.

En ny formel för att måla tryckbilder

PSP fungerar genom att reagera med syre för att producera ljus. Skillnader i tryck resulterar i variationer i mängden syre som interagerar med den målade ytan, och, därför, i intensiteten hos det utsända ljuset. Kameror runt vindtunneln tar bilder, som forskare kombinerar för att bestämma trycket överallt på modellen.

Den nya Unsteady PSP fungerar på samma sätt som standard PSP och ser till och med likadan ut när den sprutas på i ett så tunt lager som 10 miljondelar av en tum. Dock, den är full av små porer som låter luften som strömmar över modellen komma i kontakt med en större yta av färgen. Detta gör att syre reagerar snabbare med färgen, ger mer exakta data om de fluktuerande trycken som påverkar flygplan och raketer under flygning.

Med denna PSP designad speciellt för snabba tryckförändringar, Ross och Panda hade hittat sitt favoritverktyg för att avancera studiet av buffé. I ett banbrytande test på NASA Ames, i november 2015, de uppnådde sitt mål att mäta snabbt föränderliga krafter längs en raketkropp.

På ett år, Teamet gick från proof of concept till att utveckla basen för ett system som ska användas med raket- och flygplanskunder, som SLS-teamet, privat industri, eller militären. Nästa steg för teamet av forskare vid Ames kommer att vara att installera ytterligare en kamera i vindtunneln för att optimera en kommande omgång av SLS-buffétester, väntas senare i år. Tack vare en ny generation av högteknologisk färg, framtida rymdfarkoster och flygplan kommer att byggas för att stå emot allt tryck som vi, och atmosfären, kan sätta på dem.