Amber Favaregh du Langley Research Center de la NASA prépare un modèle de la fusée Space Launch System pour des tests avec de la peinture sensible à la pression dans une soufflerie au Ames Research Center de la NASA. Crédit :NASA/Dominic Hart
Alors qu'il tonne vers le haut à travers l'atmosphère terrestre pour mettre un vaisseau spatial en orbite, une fusée est secouée par un flux d'air chaotique. A grande vitesse, les avions connaissent une situation similaire, flux d'air instable sur leurs ailes. Cela crée des forces de pression considérables qui changent rapidement de force et de direction, en particulier à ou près de la vitesse du son.
Des chercheurs en aérospatiale du centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley en Californie affinent une méthode de pointe pour mesurer avec précision ces forces fluctuantes. Le secret de leur technique réside dans une nouvelle génération de peinture sensible à la pression (PSP), appelé PSP instable, qui émet une lueur cramoisie brillante en présence d'un flux d'air à haute pression.
Au cours d'un vol simulé à travers l'atmosphère de la planète dans le puissant flux d'air d'une soufflerie, cette technologie permet aux chercheurs de capturer des mesures suffisamment rapidement pour suivre l'évolution rapide des charges de pression sur toute la surface du modèle de véhicule. L'obtention de données aussi précises est la première étape pour comprendre comment la structure d'un véhicule réagira au tremblement en vol et pour minimiser les impacts grâce à la conception.
Peinture rose pour la planète rouge
Le Space Launch System (SLS) sera la fusée de pointe du voyage vers Mars de la NASA. La deuxième génération de SLS aura une capacité de levage de 105 tonnes et transportera le vaisseau spatial Orion de la NASA avec équipage et cargaison. Les tests initiaux ont suggéré que les charges de buffet qui affecteraient la fusée pendant le vol pourraient être suffisantes pour nécessiter une refonte des composants structurels critiques.
"Pour aider à vérifier les estimations du buffet, nous devions mesurer plus précisément ce flux d'air instable, " dit Jim Ross, ingénieur en aérospatiale à la Branche d'aérophysique expérimentale d'Ames.
Cette vidéo est une visualisation des mesures de couverture complète des forces de pression fluctuantes affectant une fusée lors du lancement simulé d'un essai en soufflerie. Les aéronefs et les engins spatiaux doivent être conçus pour résister à ces forces dynamiques, appelé buffet, ou risquer d'être secoué en morceaux. Les changements de pression sont visualisés en couleurs (rouge :pression supérieure à la moyenne; bleu :pression inférieure à la moyenne), et représentent les moments avant que la fusée n'atteigne des vitesses supersoniques. Un nouveau type de peinture sensible à la pression permet des mesures aussi précises. Crédit :NASA Ames Research Center/Scott Murman
La méthode traditionnelle d'approximation des charges de pression fluctuantes sur les avions implique de nombreux petits microphones - jusqu'à 400 - installés à la surface d'un modèle réduit à étudier en soufflerie. Cela peut être complexe et coûteux, et n'offre qu'une couverture partielle.
Lorsque la peinture originale sensible à la pression est arrivée, la couverture offerte était une énorme amélioration. Cependant, puisqu'il a été conçu pour mesurer une pression constante, les données qu'il a fournies représentaient des moyennes dans le temps, par opposition à vraiment capturer la pression fluctuante elle-même. Donc, Ross et son collègue Ames de la NASA, Jayanta Panda, se sont demandé comment ils pouvaient déterminer les chiffres réels de ces charges de pression en constante évolution.
Une nouvelle formule pour peindre des images sous pression
La PSP fonctionne en réagissant avec l'oxygène pour produire de la lumière. Les différences de pression entraînent des variations de la quantité d'oxygène interagissant avec la surface peinte, et, donc, dans l'intensité de la lumière émise. Des caméras autour de la soufflerie enregistrent des images, que les chercheurs combinent pour déterminer la pression partout sur le modèle.
La nouvelle Unsteady PSP fonctionne de la même manière que la PSP standard et a même le même aspect lorsqu'elle est pulvérisée en une couche aussi fine que 10 millionièmes de pouce. Cependant, il est plein de minuscules pores qui permettent à l'air circulant sur le modèle d'entrer en contact avec une plus grande surface de peinture. Cela permet à l'oxygène de réagir plus rapidement avec la peinture, fournissant des données plus précises sur les pressions fluctuantes affectant les avions et les fusées pendant le vol.
Avec cette PSP conçue spécifiquement pour les changements de pression rapides, Ross et Panda avaient trouvé leur outil de prédilection pour faire avancer l'étude du buffet. Dans un test révolutionnaire à la NASA Ames, en novembre 2015, ils ont atteint leur objectif de mesurer les forces changeant rapidement le long du corps d'une fusée.
Dans un an, l'équipe est passée de la preuve de concept au développement de la base d'un système à utiliser avec les clients des fusées et des avions, comme l'équipe SLS, secteur privé, ou l'armée. La prochaine étape pour l'équipe de chercheurs d'Ames sera d'installer une autre caméra dans la soufflerie pour optimiser une prochaine série de tests de buffet SLS, attendu plus tard cette année. Grâce à une nouvelle génération de peinture high-tech, les futurs engins spatiaux et avions seront construits pour résister à toutes les pressions que nous, et l'ambiance, peut les mettre.
