När du reser med fem gånger ljudets hastighet eller snabbare, den minsta turbulensen är mer än en gupp på vägen, sa Sandia National Laboratories flygingenjör som för första gången karakteriserade vibrationseffekten av tryckfältet under en av dessa små hypersoniska turbulenta fläckar.

"Problemet är att dessa turbulensfläckar är riktigt snabba och riktigt små, " sa forskaren Katya Casper. "Det finns tusentals turbulenta fläckar varje sekund i hypersoniskt flöde, och vi behöver riktigt snabba tekniker för att studera deras beteende."

Tryckfältet är nyckeln till att förstå hur intermittenta turbulenta fläckar skakar ett flygplan som flyger vid Mach 5 eller högre, sa Casper. Hypersoniska fordon utsätts för höga nivåer av fluktuerande tryck och måste konstrueras för att motstå de resulterande vibrationerna.

Enkelt uttryckt, att kunna karakterisera och förutsäga dessa tryckpunkter leder till bättre fordonsdesign.

"Förståelsen av ostadiga tryckfält är extremt viktig för modellering av hypersoniska flygfordonstillämpningar för en mängd olika nationella säkerhetsprogram, sa Basil Hassan, senior chef på Sandias kontor för Advanced Science and Technology Program.

"Detta avancerade diagnostiska utvecklingsarbete bildar unika datamängder för grundläggande upptäckt och modellvalidering på Sandia och har använts för att förbättra flygförutsägelser för flera nationella hypersoniska flygprogram, sa Hassan.

Under de senaste åren, Caspers experiment har gått från användningen av elektroniska miniatyrsensorer till avancerade bildtekniker med tryckkänslig färg, som appliceras på en modell som testats i en vindtunnel och ses av specialiserade kameror för att mäta tryckfluktuationerna optiskt.

American Institute of Aeronautics and Astronautics citerade nyligen Caspers genombrott för att karakterisera hypersoniska turbulenta fläckar och hennes arbete med nya fluktuerande tryckinstrument när hon tidigare i år tillkännagav att hon vunnit organisationens Lawrence Sperry Award, ges för anmärkningsvärda insatser inom området av en person som är 35 år eller yngre.

Hur turbulenta fläckar vibrerar hypersoniska fordon

Caspers experiment som karakteriserade hypersoniska turbulenta fläckar använde innovativa diagnostiska tekniker för att ge insikt i samspelet mellan tryckfluktuationer och fordonets strukturella respons.

Med avancerad bildteknik och höghastighetssensorer, arbetet visade att övergångstryckfluktuationer genereras av intermittenta turbulenta fläckar som passerar förbi på en millisekund. När fläckarna växer, de smälter samman till ett helt turbulent lager. Datan som Casper fångade var avgörande för att förbättra prediktiva datorsimuleringar som utvecklats av hennes kollegor på Sandia.

Genom att använda en konformad modell med en integrerad tunn panel inbäddad med trycksensorer och accelerometrar vid Sandias hypersoniska vindtunnel, Casper studerade svaret, eller vibrationer, till turbulenta platser.

När frekvensen av de passerande turbulenta fläckarna matchade panelens naturliga strukturella frekvens, stark resonans genererades med vibrationsnivåer mer än 200 gånger större än när fläckarna inte matchade panelen, Hon sa. "Detta skulle vara ett värsta scenario för flygningen." Nu har ingenjörer ett förbättrat sätt att förutsäga ett sådant scenario och anpassa sig till det.

Blästringsfärg för att mäta tryck

Mycket av Caspers arbete sker vid Sandias vindtunnlar, men det stannar inte där. Förra året, Casper migrerade liknande tryckdiagnostik till Sandias blästerrör för att i större fälttester demonstrera den tryckkänsliga färgteknik som först användes i vindtunnlarna. Hon kombinerade intrikat ljus, höghastighetskameror och den noggrant formulerade kemin av tryckkänslig färg för att fånga effekten av en stötvåg som rullar över ett fordon.

Som de turbulenta fläckarna i vindtunneln, stötvågen skapar en ostadig tryckbelastning som kan vibrera ett flygfordon.

Med en sprängladdning detonerad i ena änden av sprängröret med en diameter på 6 fot, en stötvåg går genom röret innan den träffar en modell i andra änden. Traditionellt, hundratals små trycksensorer skulle placeras på modellen för att mäta kraften. Istället, Casper föreslog att man skulle använda tryckkänslig färg.

"Med sensorer, du kan bara få tryckavläsningar på de diskreta platserna där de är placerade, ", sa Casper. "Med färgen kan du få data överallt."

I Augusti, färgen airbrushades på en modell noskon. Fyra kraftfulla, vattenkylda ultravioletta ljus lyste på den tryckkänsliga färgen, får det att fluorescera. Ju mer syre färgen utsätts för, desto mindre fluorescerar det. Ju större trycket är, desto större syre. Så när chockvågen från explosionen passerade över modellen, ökat tryck på dess yta, intensiteten av färgens glöd minskade.

Fångad på en höghastighetskamera och fotograferade med 25 kilohertz (eller 25, 000 cykler per sekund) med ett filter som används för att blockera den ultravioletta belysningen, resultatet är en mörk skugga som växer över modellen från spetsen till basen; och sedan när en reflekterad chock passerar, skuggan tränger in från bas till spets.

Förändringen i färgens florescens kan kalibreras till mängden tryck som utövas på modellen.

Casper och teamet genomförde åtta sprängrörskörningar under två dagar och lärde sig några värdefulla lärdomar från de första testerna i sitt slag. Till exempel, testerna samlar in bättre data när det är mörkt, eller åtminstone molnigt, eftersom solljus stör färgens florescens.

"Det är en ny metod för att mäta trycket som tas till sprängröret, " sa hon. "Sammantaget, testerna var framgångsrika, och med några få justeringar borde det i slutändan vara användbart för att bestämma hur man skyddar föremål från stötvågor."