Om du någonsin har varit på en flyguppvisning, eller bodde nära en flygvapenbas, du är bekant med sonic booms.

Dessa öronbedövande ljud skapas av flygplan som överskrider ljudets hastighet, ungefär 767 mph (1234 km/h). De förklarar, till viss del, varför passagerarflygplan kryssar himlen i långsammare och mindre auditivt stötande hastigheter.

Flygingenjören James Chen vid University at Buffalo arbetar med att lösa problem i samband med att överskrida ljudbarriären.

"Föreställ dig att flyga från New York City till Los Angeles på en timme. Föreställ dig otroligt snabba obemannade flygfarkoster som ger mer uppdaterad och nyanserad information om jordens atmosfär, som kan hjälpa oss att bättre förutse dödliga stormar, säger Chen, Ph.D., biträdande professor vid institutionen för maskin- och rymdteknik vid UB:s Tekniska Högskola.

Chen är motsvarande författare till en studie publicerad 3 januari i Journal of Engineering Mathematics . Studien hänför sig till den österrikiske fysikern Ludwig Boltzmanns klassiska kinetiska teori, som använder gasmolekylernas rörelse för att förklara vardagliga fenomen, såsom temperatur och tryck.

Chens arbete utvidgar klassisk kinetisk teori till aerodynamik med hög hastighet, inklusive hypersonisk hastighet, som börjar kl 3, 836 mph (6173 km/h) eller ungefär fem gånger ljudets hastighet. Den nya studien och andra av Chen i inflytelserika akademiska tidskrifter försöker lösa långvariga problem förknippade med höghastighetsaerodynamik.

Överljudspassagerarjet

Idén med överljudspassagerarjetplan är inte ny. Den kanske mest kända är Concorde, som flög från 1976-2003. Även om det är framgångsrikt, det var förföljt av bullerklagomål och dyra driftskostnader.

På senare tid, Boeing tillkännagav planer på ett hypersoniskt flygplan och NASA arbetar på ett överljudsprojekt som heter QueSST, förkortning för Quiet Supersonic Technology.

"Minskningen av den ökända ljudboomen är bara en början. I överljudsflyg, vi måste nu svara på det sista olösta problemet i klassisk fysik:turbulens, säger Chen, vars arbete finansieras av U.S. Air Forces Young Investigator Program, som stödjer ingenjörer och vetenskapsmän som visar exceptionell förmåga och löfte för att bedriva grundforskning.

För att skapa mer effektivt, billigare och tystare flygplan som överskrider ljudbarriären, forskarvärlden behöver bättre förstå vad som händer med luften som omger dessa fordon.

"Det är så mycket vi inte vet om luftflödet när du når hypersoniska hastigheter. Till exempel, virvlar bildas runt flygplanet som skapar turbulens som påverkar hur flygplan manövrerar genom atmosfären, " han säger.

Morphing continuum theory

För att lösa dessa komplexa problem, forskare har historiskt använt vindtunnlar, som är forskningslaboratorier som replikerar de förhållanden som fordon möter i luften eller rymden. Även om det är effektivt, dessa labb kan vara dyra att driva och underhålla.

Som ett resultat, många forskare, inklusive Chen, har vänt mot direkta numeriska simuleringar (DNS).

"DNS med högpresterande beräkningar kan hjälpa till att lösa turbulensproblem. Men de ekvationer vi har använt, baserat på arbetet av Navier och Stokes, är väsentligen ogiltiga vid överljuds- och hypersoniska hastigheter, säger Chen.

Hans arbete i Journal of Engineering Mathematics fokuserar på morphing continuum theory (MCT), som baseras på fälten mekanik och kinetisk teori. MCT syftar till att förse forskare med beräkningsvänliga ekvationer och en teori för att ta itu med problem med hypersonisk turbulens.

"Centrum för beräkningsforskning vid UB ger en perfekt plattform för mitt team och mig på Multiscale Computational Physics Lab för att driva dessa svåra aerodynamiska problem med hög hastighet med högpresterande beräkningar, säger Chen.

I sista hand, arbetet kan leda till framsteg i hur överljuds- och hypersoniska flygplan är utformade, allt från fordonets form till vilka material det är gjort av. Målet, han säger, är en ny klass av flygplan som är snabbare, tystare, billigare i drift och säkrare.