Si vous avez déjà assisté à un spectacle aérien, ou habitait près d'une base aérienne, vous êtes familier avec les bangs soniques.

Ces bruits assourdissants sont créés par des avions dépassant la vitesse du son, environ 767 mph (1234 km/h). Ils expliquent, en partie, pourquoi les avions de ligne naviguent dans le ciel à des vitesses plus lentes et moins offensives sur le plan auditif.

L'ingénieur en aérospatiale de l'Université de Buffalo, James Chen, s'efforce de résoudre les problèmes liés au dépassement du mur du son.

"Imaginez voler de New York à Los Angeles en une heure. Imaginez des véhicules aériens sans pilote incroyablement rapides fournissant des informations plus actualisées et plus nuancées sur l'atmosphère terrestre, qui pourrait nous aider à mieux prévoir les tempêtes meurtrières, " dit Chen, Doctorat., professeur adjoint au Département de génie mécanique et aérospatial de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées de l'UB.

Chen est l'auteur correspondant d'une étude publiée le 3 janvier dans le Journal des mathématiques de l'ingénieur . L'étude concerne la théorie cinétique classique du physicien autrichien Ludwig Boltzmann, qui utilise le mouvement des molécules de gaz pour expliquer les phénomènes quotidiens, comme la température et la pression.

Les travaux de Chen étendent la théorie cinétique classique à l'aérodynamique à grande vitesse, y compris la vitesse hypersonique, qui commence à 3, 836 mph (6173 km/h) ou environ cinq fois la vitesse du son. La nouvelle étude et d'autres de Chen dans des revues universitaires influentes tentent de résoudre des problèmes de longue date associés à l'aérodynamique à grande vitesse.

Jets de passagers supersoniques

L'idée des jets de passagers supersoniques n'est pas nouvelle. Le plus célèbre est peut-être le Concorde, qui a volé de 1976 à 2003. Bien que réussi, il a été poursuivi par des plaintes de bruit et des coûts d'exploitation élevés.

Plus récemment, Boeing a annoncé des plans pour un avion de ligne hypersonique et la NASA travaille sur un projet supersonique appelé QueSST, abréviation de Quiet Supersonic Technology.

"La réduction du fameux bang sonique n'est qu'un début. En vol supersonique, il faut maintenant répondre au dernier problème non résolu de la physique classique :la turbulence, " dit Chen, dont les travaux sont financés par le programme Young Investigator de l'U.S. Air Force, qui soutient les ingénieurs et les scientifiques qui font preuve d'une capacité et d'une promesse exceptionnelles pour mener des recherches fondamentales.

Pour créer plus efficacement, des avions moins chers et plus silencieux qui dépassent le mur du son, la communauté des chercheurs doit mieux comprendre ce qui se passe avec l'air entourant ces véhicules.

"Il y a tellement de choses que nous ne savons pas sur le flux d'air lorsque vous atteignez des vitesses hypersoniques. Par exemple, des tourbillons se forment autour de l'avion créant des turbulences qui affectent la façon dont l'avion manœuvre dans l'atmosphère, " il dit.

Théorie du continuum de morphing

Pour résoudre ces problèmes complexes, les chercheurs ont historiquement utilisé des souffleries, qui sont des laboratoires de recherche qui reproduisent les conditions rencontrées par les véhicules dans les airs ou dans l'espace. Bien qu'efficace, ces laboratoires peuvent être coûteux à exploiter et à entretenir.

Par conséquent, de nombreux chercheurs, dont Chen, se sont tournés vers les simulations numériques directes (DNS).

"Le DNS avec le calcul haute performance peut aider à résoudre les problèmes de turbulence. Mais les équations que nous avons utilisées, basé sur les travaux de Navier et Stokes, sont essentiellement invalides aux vitesses supersoniques et hypersoniques, " dit Chen.

Son travail dans le Journal des mathématiques de l'ingénieur se concentre sur la théorie du continuum de morphing (MCT), qui est basé sur les domaines de la mécanique et de la théorie cinétique. MCT vise à fournir aux chercheurs des équations informatiques et une théorie pour résoudre les problèmes de turbulence hypersonique.

"Le Center for Computational Research de l'UB fournit une plate-forme parfaite pour mon équipe et moi au Multiscale Computational Physics Lab pour poursuivre ces problèmes difficiles d'aérodynamique à grande vitesse avec un calcul haute performance, " dit Chen.

Finalement, le travail pourrait conduire à des progrès dans la conception des avions supersoniques et hypersoniques, tout, de la forme du véhicule aux matériaux dont il est fait. Le but, il dit, est une nouvelle classe d'avions plus rapides, plus tranquille, moins coûteux à exploiter et plus sûr.