För att bryta ut ur jordens nedre bana, hypersoniska fordon måste nå hastigheter som är högre än Mach 5. Vid dessa hypersoniska hastigheter, luftpartiklarna och gaserna som flyter runt fordonet och interagerar med ytorna genererar värme och skapar chockvågor som stör flödets jämvikt. Ny forskning vid University of Illinois i Urbana-Champaign skapade en modell för att simulera och bättre förstå flödesövergångar.

"Vid hypersonisk hastighet, flödet rör sig vid höga Mach -nummer, men det finns också vingar eller klaffar på fordonet. Vid var och en av dessa punkter, du kan få mycket stark recirkulation, vilket leder till ostadighet. Det är svårt att förutsäga hur dålig instabiliteten kan bli innan flödet inte längre är smidigt, och blir turbulent, "sa Deborah Levin, professor vid Institutionen för rymdteknik vid College of Engineering vid U of I.

Hon och hennes doktorand Ozgur Tumuklu, tillsammans med professor Vassilis Theofilis från University of Liverpool, genomfört forskning som ger en revolutionerande förståelse för området för hypersoniskt flöde.

Levin sa att hon studerar flöde på en mycket grundläggande nivå för att förstå flödet, krafterna som flödet kan skapa, och hur länge flödet förblir stabilt när det gäller mikrosekunder till millisekunder - snabbare än ett ögonblick.

"Från de grundläggande aspekterna av flödet, när hastigheten är så hög, gaserna runt ytorna blir mycket heta, "Förklarade Levin." Friktionsvärmen börjar orsaka kemiska reaktioner. Gasen förblir inte längre 79 procent kväve och 21 procent syre som vi har i vår atmosfär.

"När alla dessa effekter inträffar, de kallas icke-jämviktseffekter. Det är ett fenomen som uppstår när luften blir tunnare när du rör dig snabbare, "Sade Levin." Att koppla ihop allt det här-jämvikten och stabiliteten-det är det som är riktigt nytt om denna forskning och som inte har gjorts tidigare. Resultatet av denna forskning är en modell och förmågan att nu använda denna teknik i framtiden för att designa former och framkalla kemiska reaktioner som kommer att orsaka stabilitet eller släcka den. "

Levin sa att några av de ursprungliga arbetena inom detta område började med experiment vid U of I med professor Joanna Austin, innan du lämnar för en tjänst på California Technical. En stor del av hennes arbete i Illinois var att designa en ny anläggning som kunde mäta några av funktionerna i flödet.

"Hon har ett hypervelocity-expansionsrör-en klass av mättekniker som kan användas för att framkalla ett flöde över en dubbelkilig modell ungefär lika stor som min hand, "Sa Levin." Dr. Austin skapar ett hypersoniskt flöde över hela modellen. Den använde en enorm energi för att åstadkomma men den kan användas för fall med låg densitet (tunnare luft). Men dubbelkilen kan vara en svår form att förstå vad som händer. Vi körde många simuleringar men kunde inte få flödet att nå ett stabilt eller stabilt resultat. "

Levin sa att samarbetet med Theofilis hjälpte till att driva arbetet framåt, särskilt med avseende på ett nytt tillvägagångssätt och mot modellens form.

"Han sa till mig, 'Jag vet att detta tillstånd [sic dubbel kil] är svårt att förstå ur stabilitetssynpunkt, men om du börjar skriva ut från dina flödesberäkningar temperaturen här, här, och här, du kommer att se att temperaturen aldrig kommer att stabiliseras. Du kommer att se virvlar och virvlar som kommer och går. ' När en expert berättar det för dig, du uppmärksammar, "Sa Levin.

En sak som de gjorde innan de lämnade dubbelkilen var att "artificiellt minska förhållandena i hypervelocity -expansionsröret med en faktor på ungefär en åttonde, "Sa Levin." Vi såg fortfarande många funktioner som stötarna, och återcirkulation, men flödet lugnade sig och vi kunde simulera ett stabilt tillstånd. "

Forskarna lade den dubbla kilen åt sidan för tillfället och flyttade till en dubbel kon design som modell. Levin sa, "Den har axiell symmetri - som en topp, den har symmetri runt alla vinklar - vilket gör det mycket lättare att beräkna. "

Forskningen gav ny förståelse för övergångspunkterna i flödet från smidigt till turbulent, vilket i slutändan kan informera en säkrare fordonsdesign.