C'est une question de vitesse, et les laboratoires nationaux Sandia, avec une soufflerie hypersonique et une technologie de diagnostic laser avancée, est dans une excellente position pour aider les agences de défense américaines à comprendre la physique associée aux avions volant cinq fois la vitesse du son.

Avec des adversaires potentiels signalant des succès dans leurs propres programmes de développement d'avions pouvant voler à des vitesses de Mach 5 ou plus, Le développement américain de systèmes hypersoniques autonomes est une priorité absolue en matière de défense.

Cela a rendu l'ingénieur aérospatial Steven Beresh du département d'aérosciences de Sandia et ses collègues de la soufflerie hypersonique populaires ces derniers temps.

"Avant, l'attitude était que le vol hypersonique était dans 30 ans et le sera toujours, " dit Beresh, l'ingénieur principal en soufflerie. "Maintenant avec les besoins nationaux, ça doit être demain. Nous devenons très occupés."

Froid dans le tunnel

Il y a un souffle d'air, puis un grondement suivi d'un bourdonnement électrique. Cela dure environ 45 secondes pendant que l'air souffle dans le tunnel jusqu'à un vide à des vitesses de Mach 5, 8 ou 14, selon les réglages de pression. La buse Mach 5 utilise de l'air à haute pression (azote plus oxygène). L'azote seul est utilisé aux vitesses les plus élevées et peut être pressurisé à 8, 600 livres par pouce carré. En comparaison, La pression recommandée pour un pneu de voiture se situe généralement entre 30 et 35 psi. Il y a tellement d'énergie potentielle, l'azote doit être stocké dans un bunker derrière des murs d'un pied d'épaisseur.

Un modèle—généralement en forme de cône, une réplique de cylindre ou de cordier de ce qui pourrait être utilisé avec des véhicules de vol - est placée dans la section d'essai de 18 pouces de diamètre du tunnel. Par nécessité, le modèle, 4 à 5 pouces de diamètre, n'est pas une réplique exacte de la version à grande échelle mais peut gérer une variété d'instruments, les changements de géométrie et les tests de spin. Une partie du travail de l'ingénieur en soufflerie consiste à comprendre ces problèmes de mise à l'échelle.

À l'intérieur de la section d'essai, les températures peuvent devenir extrêmement basses, ainsi, des résistances chauffantes électriques propres à chaque nombre de Mach chauffent les gaz et empêchent la condensation du gaz. Sans chaleur, l'air ou l'azote se transforme en glace dans la soufflerie. Les radiateurs fonctionnent essentiellement comme de très gros sèche-cheveux - des sèche-cheveux de 3 mégawatts - qui peuvent élever la température de l'air au-dessus de 2, 000 degrés Fahrenheit au début du tunnel. Au moment où l'air ou les gaz arrivent dans la chambre d'essai, la température peut descendre jusqu'à moins 400 degrés Fahrenheit.

Physique à des vitesses hypersoniques

En discutant de la contribution de Sandia à la recherche hypersonique, Beresh se réfère à la résolution du "problème hypersonique, " qui essaie essentiellement de comprendre la physique de la façon dont l'air circule sur un objet à des vitesses supérieures à Mach 5.

"La physique est extrêmement difficile à vitesse hypersonique, ", a déclaré Beresh. L'air et les gaz réagissent différemment qu'à une vitesse subsonique; les matériaux sont soumis à des températures et à des pressions extrêmes; et il y a le défi supplémentaire des mécanismes de guidage qui doivent également résister à ces pressions.

"Nous avons des informations, mais pas assez d'informations, " a-t-il dit. "Nous avons surtout eu affaire à des véhicules de rentrée. Avant, l'idée était de faire survivre le véhicule; maintenant, il a besoin de prospérer. Nous essayons de voler à travers."

Une force majeure de la recherche hypersonique chez Sandia est l'équipe de personnes. "Pour vraiment avoir un impact dans la recherche hypersonique, cela nécessite une collaboration entre des personnes qui comprennent le véhicule hypersonique, des gens qui comprennent la dynamique des fluides, des personnes qui comprennent la science de la mesure et des personnes qui comprennent les simulations informatiques, " a déclaré Daniel Richardson, un ingénieur mécanicien en sciences diagnostiques. "C'est ainsi que vous pouvez commencer à comprendre les phénomènes physiques sous-jacents."

Mariage de mesures

"C'est le mariage de ces mesures avec les capacités de la soufflerie qui donne à Sandia sa niche nationale, " a déclaré Beresh. " Et vous devez avoir des gens qui peuvent faire les deux en travaillant ensemble. "

« Sandia a été à l'avant-garde du développement de nouvelles techniques de mesure, " Richardson a déclaré. "Nous nous efforçons toujours d'améliorer les capacités de mesure."

Sandia utilise des lasers avancés pour mesurer la vitesse des gaz passant sur le modèle, sens du flux d'air, pression et densité des gaz et comment la chaleur est transférée au modèle.

"Parfois, il s'agit de savoir à quel point vous pouvez vous rapprocher de la surface de l'objet pour voir comment les gaz réagissent à cette vitesse, " Richardson a déclaré. "Pas seulement devant le modèle, mais derrière lui. Le but ultime est de tout mesurer, partout, tout le temps."

Temps de congélation

Un laser dirigé à travers la fenêtre rectangulaire de la section d'essai permet à la lumière entrante de mesurer le flux d'air à l'intérieur. Dans les années récentes, de nouvelles capacités de mesure sont devenues possibles avec la commercialisation de lasers fonctionnant à des échelles de temps femtosecondes. Cela équivaut à 10-15 secondes, ou 1 millionième de 1 milliardième de seconde.

"Ces impulsions laser sont très courtes dans le temps, mais ont une intensité vraiment élevée, " a déclaré Richardson. " A l'échelle de temps femtoseconde, presque tout mouvement est arrêté, ou gelé." En couplant le laser femtoseconde à une caméra ultra-rapide, les mesures peuvent être effectuées des milliers de fois par seconde.

"Cet équipement de pointe permet à Sandia d'extraire plus de données de chaque passage en soufflerie qu'auparavant, ", a déclaré Richardson.

Développer et valider

La soufflerie hypersonique de Sandia est relativement bon marché à utiliser par rapport aux plus grands tunnels de la NASA ou de l'Air Force, mais les tests peuvent grandement contribuer au développement de capacités de modélisation et de simulation. Il mélange l'expérimental et le calcul pour faire avancer la science, Beresh et Richardson ont dit.

Les souffleries de Sandia contribuent depuis longtemps à la nation; le premier des laboratoires a été construit en 1955. Même à l'ère actuelle de la simulation informatique pour la pratique de l'ingénierie, les souffleries sont la clé de la technologie aérospatiale.

"Nous effectuons des mesures plus précises parce que nous essayons toujours de pousser cette capacité, " a déclaré Richardson. " La soufflerie hypersonique et la science des mesures sont des éléments importants de la recherche à Sandia. C'est un terrain d'essai pour les capacités futures."