Det handlar om hastighet, och Sandia National Laboratories, med en hypersonisk vindtunnel och avancerad laserdiagnostisk teknologi, är i en utmärkt position för att hjälpa amerikanska försvarsorgan att förstå fysiken i samband med flygplan som flyger fem gånger ljudets hastighet.

Med potentiella motståndare som rapporterar framgångar i sina egna program för att utveckla flygplan som kan flygas i Mach 5 eller högre hastigheter, USA:s utveckling av autonoma hypersoniska system är en högsta försvarsprioritet.

Det har gjort flygingenjören Steven Beresh från Sandias flygvetenskapsavdelning och hans kollegor vid den hypersoniska vindtunneln populära på senare tid.

"Innan, inställningen var att hypersonisk flygning var 30 år bort och alltid kommer att vara, sade Beresh, den ledande vindtunnelingenjören. "Nu med de nationella behoven, det måste bli imorgon. Vi blir väldigt upptagna."

Kallt i tunneln

Det är ett sus av luft, sedan ett mullrande följt av ett elektriskt brum. Det varar cirka 45 sekunder när luft blåser ner i tunneln till ett vakuum med hastigheter på 5 Mach, 8 eller 14, beroende på tryckinställningar. Mach 5-munstycket använder högtrycksluft (kväve plus syre). Enbart kväve används vid de högre hastigheterna och kan trycksättas till 8, 600 pund per kvadrattum. För jämförelse, rekommenderat tryck för ett bildäck är vanligtvis mellan 30 och 35 psi. Det finns så mycket potentiell energi, kväve måste lagras i en bunker bakom 1 fot tjocka väggar.

En modell - vanligtvis formad som en kon, en kopia av cylindern eller bakstycket av vad som kan användas med flygfordon – placeras i tunnelns 18-tums diameter testsektion. Av nödvändighet, modellen, 4 till 5 tum i diameter, är inte en exakt kopia av fullskalig version men kan hantera en mängd olika instrumentering, geometriförändringar och spinntestning. En del av vindtunnelingenjörens jobb är att förstå dessa skalningsproblem.

Inuti testsektionen, temperaturen kan bli extremt låg, så elektriska motståndsvärmare som är unika för varje Mach-tal värmer upp gaserna och förhindrar kondensering av gasen. Utan värme, luften eller kvävet förvandlas till is i vindtunneln. Värmare fungerar i princip som mycket stora hårtorkar - 3 megawatt hårtorkar - som kan höja lufttemperaturen över 2, 000 grader Fahrenheit i början av tunneln. När luft eller gaser kommer till testkammaren, temperaturen kan falla så lågt som minus 400 grader Fahrenheit.

Fysik i hypersoniska hastigheter

När vi diskuterar Sandias bidrag till hypersonisk forskning, Beresh hänvisar till att lösa "hypersonikproblemet, " som i grund och botten försöker förstå fysiken om hur luft strömmar över ett föremål med hastigheter högre än Mach 5.

"Fysiken är enormt svår i hypersonisk hastighet, ", sa Beresh. Luften och gaserna reagerar annorlunda än vid subsonisk hastighet; material utsätts för extrema temperaturer och tryck; och det finns den extra utmaningen att styrmekanismer också måste stå emot dessa tryck.

"Vi har lite information, men inte tillräckligt med information, " sa han. "Vi har mestadels sysslat med återinträdesfordon. Innan, tanken var att bara få fordonet att överleva; nu, det måste frodas. Vi försöker flyga igenom det."

En stor styrka med hypersonisk forskning vid Sandia är teamet av människor. "För att verkligen påverka i hypersonisk forskning, det kräver ett samarbete mellan människor som förstår det hypersoniska fordonet, människor som förstår vätskedynamiken, människor som förstår mätvetenskapen och människor som förstår datorsimuleringarna, sa Daniel Richardson, en maskiningenjör i diagnostiska vetenskaper. "Det är så du kan börja förstå de underliggande fysiska fenomenen."

Äktenskap av mått

"Det är kombinationen av dessa mätningar med vindtunnelkapaciteten som ger Sandia sin nationella nisch, " sa Beresh. "Och du måste ha folk som kan båda och arbeta tillsammans."

"Sandia har legat i framkant när det gäller att utveckla nya mättekniker, ", sa Richardson. "Vi strävar alltid efter att förbättra mätmöjligheterna."

Sandia använder avancerade lasrar för att mäta hastigheten på gaserna som passerar över modellen, luftflödets riktning, gasernas tryck och densitet och hur värme överförs till modellen.

"Ibland handlar det om hur nära du kan komma objektets yta för att se hur gaser reagerar i den hastigheten, ", sa Richardson. "Inte bara framför modellen utan bakom den. Det slutliga målet är att mäta allt, överallt, hela tiden."

Frysningstid

En laser riktad genom testsektionens rektangulära fönster låter ljuset som kommer in för att mäta luftflödet inuti. På senare år har nya mätmöjligheter har blivit möjliga med kommersialiseringen av lasrar som arbetar på femtosekundsskalor. Det motsvarar 10-15 sekunder, eller 1 miljondel av 1 miljarddels sekund.

"Dessa laserpulser är väldigt korta i tid, men har riktigt hög intensitet, ", sa Richardson. "På femtosekund tidsskalan, nästan all rörelse stoppas, eller frusen." Genom att koppla femtosekundlasern till en höghastighetskamera, mätningar kan utföras tusentals gånger per sekund.

"Denna banbrytande utrustning gör att Sandia kan extrahera mer data från varje vindtunnel än vad som tidigare varit möjligt, " sa Richardson.

Utveckla och validera

Sandias hypersoniska vindtunnel är relativt billig att använda i jämförelse med större tunnlar vid NASA eller flygvapnet, men tester kan räcka långt för att utveckla modellerings- och simuleringsmöjligheter. Den blandar det experimentella med det beräkningsmässiga för att driva vetenskapen framåt, sa Beresh och Richardson.

Sandias vindtunnlar har en lång historia av att bidra till nationen; labbets första byggdes 1955. Även i dagens era av beräkningssimulering för ingenjörspraktik, vindtunnlar är nyckeln till flygteknik.

"Vi gör mer exakta mätningar eftersom vi alltid försöker driva på den förmågan, ", sa Richardson. "Den hypersoniska vindtunneln och mätvetenskapen är viktiga delar av forskningen vid Sandia. Det är en bevisgrund för framtida kapacitet."