Windkanal und Laser bieten Hyperschallprüfplatz in den Sandia National Laboratories.

Es geht um die Geschwindigkeit, und die Sandia National Laboratories, mit einem hyperschalldichten Windkanal und fortschrittlicher Laserdiagnose-Technologie, sind in einer ausgezeichneten Position, um den US-Verteidigungsbehörden zu helfen, die Physik zu verstehen, die mit Flugzeugen verbunden ist, die fünfmal so schnell fliegen wie der Schall.

Da potenzielle Gegner über Erfolge in ihren eigenen Programmen zur Entwicklung von Flugzeugen berichten, die mit Mach 5 oder höheren Geschwindigkeiten geflogen werden können, ist die Entwicklung autonomer hypersonischer Systeme in den USA eine der wichtigsten Verteidigungsprioritäten.

Das hat den Luft- und Raumfahrtingenieur Steven Beresh von Sandia’s Aeroscience-Abteilung und seine Kollegen im hypersonischen Windkanal seit kurzem populär gemacht.

„Früher war die Einstellung, dass Hyperschallflug 30 Jahre entfernt war und immer sein wird“, sagte Beresh, der leitende Windkanalingenieur. „Jetzt, wo die nationalen Bedürfnisse bestehen, muss es morgen sein. Wir werden sehr beschäftigt.“

Kalt im Tunnel

Es gibt ein Rauschen der Luft, dann ein Rumpeln, gefolgt von einem elektrischen Brummen. Es dauert etwa 45 Sekunden, wenn die Luft den Tunnel bis zum Vakuum mit Geschwindigkeiten von Mach 5, 8 oder 14, je nach Druckeinstellung, heruntergeblasen wird. Die Mach 5-Düse verwendet Hochdruckluft (Stickstoff plus Sauerstoff). Allein Stickstoff wird bei den höheren Geschwindigkeiten verwendet und kann auf 8.600 Pfund pro Quadratzoll unter Druck gesetzt werden. Zum Vergleich: Der empfohlene Druck für einen Autoreifen liegt normalerweise zwischen 30 und 35 psi. Es gibt so viel potenzielle Energie, dass Stickstoff in einem Bunker hinter 1-Fuß dicken Wänden gespeichert werden muss.

Ein Modell – in der Regel in Form eines Kegels, Zylinders oder Saitenhalses, wie es für Flugzeuge verwendet werden könnte – befindet sich im Testabschnitt mit einem Durchmesser von 18 Zoll des Tunnels. Das Modell mit einem Durchmesser von 4 bis 5 Zoll ist notwendigerweise keine exakte Nachbildung der Vollversion, sondern kann mit einer Vielzahl von Instrumenten, Geometrieänderungen und Spin-Tests umgehen. Ein Teil der Aufgabe des Windkanalingenieurs besteht darin, diese Skalierungsprobleme zu verstehen.

Innerhalb des Prüfbereichs können die Temperaturen extrem niedrig werden, so dass elektrische Widerstandsheizungen, die für jede Mach-Zahl einzigartig sind, die Gase erwärmen und die Kondensation des Gases verhindern. Ohne Wärme wird die Luft oder der Stickstoff im Windkanal zu Eis. Die Heizgeräte funktionieren im Wesentlichen wie sehr große Haartrockner – 3 Megawatt Haartrockner -, die die Lufttemperatur am Anfang des Tunnels über 2.000 Grad Celsius anheben können. Bis Luft oder Gase in die Prüfkammer gelangen, kann die Temperatur bis auf minus 400 Grad Celsius sinken.

Physik mit Hyperschallgeschwindigkeit

Wenn man Sandias Beitrag zur Hyperschallforschung diskutiert, bezieht sich Beresh auf die Lösung des „Hyperschallproblems“, das im Grunde genommen versucht, die Physik zu erfassen, wie Luft mit Geschwindigkeiten größer als Mach 5 über ein Objekt strömt.

„Die Physik ist bei hypersonischer Geschwindigkeit enorm schwierig“, sagte Beresh. Die Luft und Gase reagieren anders als bei Unterschallgeschwindigkeit; Materialien werden extremen Temperaturen und Drücken ausgesetzt; und es kommt die zusätzliche Herausforderung hinzu, dass Führungsmechanismen diesen Drücken ebenfalls standhalten müssen.

„Wir haben einige Informationen, aber nicht genug Informationen“, sagte er. „Wir hatten es hauptsächlich mit Wiedereintrittsfahrzeugen zu tun. Früher war die Idee, das Fahrzeug nur überleben zu lassen, jetzt muss es gedeihen. Wir versuchen, durch sie zu fliegen.“

Eine große Stärke der Hyperschallforschung bei Sandia ist das Team von Menschen. „Um in der Hyperschall-Forschung wirklich etwas bewirken zu können, bedarf es einer Zusammenarbeit zwischen Menschen, die das Hyperschall-Fahrzeug verstehen, Menschen, die die Strömungsdynamik verstehen, Menschen, die die Messwissenschaft verstehen und Menschen, die die Computersimulationen verstehen“, sagte Daniel Richardson, ein Maschinenbauingenieur in den Diagnosewissenschaften. „So kannst du anfangen, die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene zu verstehen.“

Verbindung von Messungen

„Es ist die Verbindung dieser Messungen mit den Fähigkeiten des Windkanals, die Sandia seine nationale Nische gibt“, sagte Beresh. „Und man braucht Leute, die beides können, wenn man zusammenarbeitet.“

„Sandia war an vorderster Front bei der Entwicklung neuer Messtechniken“, sagte Richardson. „Wir sind ständig bemüht, die Messmöglichkeiten zu verbessern.“

Sandia verwendet fortschrittliche Laser, um die Geschwindigkeit der Gase, die über das Modell strömen, die Richtung des Luftstroms, den Druck und die Dichte der Gase zu messen und wie Wärme auf das Modell übertragen wird.

„Manchmal geht es darum, wie nah man an die Oberfläche des Objekts kommen kann, um zu sehen, wie Gase mit dieser Geschwindigkeit reagieren“, sagte Richardson. „Nicht nur vor dem Modell, sondern auch dahinter. Das ultimative Ziel ist es, alles, überall und jederzeit zu messen.“

Einfrierzeit

Ein Laser, der durch das rechteckige Fenster der Messstrecke gerichtet ist, ermöglicht es dem einfallenden Licht, den Luftstrom im Inneren zu messen. In den letzten Jahren sind mit der Kommerzialisierung von Lasern, die auf Femtosekundenzeitskalen arbeiten, neue Messmöglichkeiten entstanden. Das entspricht 10-15 Sekunden, oder 1 Millionstel von 1 Milliardstel einer Sekunde.

„Diese Laserpulse sind sehr kurz, haben aber eine wirklich hohe Intensität“, sagte Richardson. „Auf der Femtosekunden-Zeitskala wird fast jede Bewegung gestoppt oder eingefroren.“ Durch die Kopplung des Femtosekundenlasers an eine Hochgeschwindigkeitskamera können Messungen tausende Male pro Sekunde durchgeführt werden.

„Diese hochmoderne Ausrüstung ermöglicht es Sandia, mehr Daten aus jedem Windkanallauf zu extrahieren als bisher möglich“, sagte Richardson.

Entwicklung und Validierung

Sandia’s hypersonischer Windkanal ist im Vergleich zu größeren Tunneln bei der NASA oder der Luftwaffe relativ billig zu benutzen, aber Tests können einen langen Weg zur Entwicklung von Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten gehen. Es mischt das Experimentelle mit dem Informativen, um die Wissenschaft voranzutreiben, sagten Beresh und Richardson.

Die Windkanäle von Sandia haben eine lange Geschichte als Beitrag zur Nation; die ersten Labore wurden 1955 gebaut. Windkanäle sind auch in der heutigen Zeit der rechnergestützten Simulation für die Ingenieurpraxis ein Schlüssel zur Luft- und Raumfahrttechnik.

„Wir machen genauere Messungen, weil wir immer versuchen, diese Fähigkeit zu verbessern“, sagte Richardson. „Der hypersonische Windkanal und die Messwissenschaft sind wichtige Bestandteile der Forschung bei Sandia. Es ist ein Testfeld für die Zukunftsfähigkeit.“

Teilen Ist Liebe! ❤❤❤ 22 shares ❤❤❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares