Pour sortir de l'orbite inférieure de la Terre, les véhicules hypersoniques doivent atteindre des vitesses supérieures à Mach 5. A ces vitesses hypersoniques, les particules d'air et les gaz qui circulent autour du véhicule et interagissent avec les surfaces génèrent de la chaleur et créent des ondes de choc qui perturbent l'équilibre du flux. De nouvelles recherches à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont créé un modèle pour simuler et mieux comprendre les transitions d'écoulement.

"A des vitesses hypersoniques, le flux se déplace à des nombres de Mach élevés, mais il y a aussi des ailes ou des volets sur le véhicule. A chacun de ces moments, vous pouvez avoir une recirculation très forte, ce qui conduit à l'instabilité. Il est difficile de prédire à quel point l'instabilité peut devenir avant que le flux ne soit plus fluide, et devient turbulent, " a déclaré Deborah Levin, professeur au Département de génie aérospatial du Collège d'ingénierie de l'U of I.

Elle et son doctorant Ozgur Tumuklu, avec le professeur Vassilis Theofilis de l'Université de Liverpool, a mené des recherches qui apportent une compréhension révolutionnaire dans le domaine du flux hypersonique.

Levin a dit qu'elle étudie le flux à un niveau très fondamental pour comprendre le flux, les forces que le flux peut créer, et la durée pendant laquelle le flux reste stable en termes de microsecondes à millisecondes, plus rapide qu'un clignement d'œil.

« Des aspects très fondamentaux du flux, quand la vitesse est si élevée, les gaz autour des surfaces deviennent très chauds, " expliqua Levin. " La chaleur de friction commence à provoquer des réactions chimiques. Le gaz ne reste plus 79 pour cent d'azote et 21 pour cent d'oxygène comme nous l'avons dans notre atmosphère.

« Quand tous ces effets se produisent, ils sont appelés effets de non-équilibre. C'est un phénomène qui se produit lorsque l'air se raréfie à mesure que vous vous déplacez plus rapidement, " Levin a déclaré. "Coupler tout cela - le non-équilibre et la stabilité - c'est ce qui est vraiment nouveau dans cette recherche et qui n'a pas été fait auparavant. Le résultat de cette recherche est un modèle et la capacité d'utiliser cette technique à l'avenir pour concevoir des formes et induire des réactions chimiques qui induiront ou non la stabilité ou l'éteindront. »

Levin a déclaré que certains des travaux originaux dans ce domaine ont commencé par des expériences à l'U of I avec le professeur Joanna Austin, avant de partir pour un poste chez California Technical. Une grande partie de son travail dans l'Illinois consistait à concevoir une nouvelle installation capable de mesurer certaines des caractéristiques du débit.

"Elle a un tube d'expansion à hypervitesse - une classe de techniques de mesure qui peuvent être utilisées pour induire un écoulement sur un modèle à double coin de la taille de ma main, " dit Levin. " Dr. Austin crée un flux hypersonique sur l'ensemble du modèle. Il a utilisé une énorme quantité d'énergie pour accomplir, mais il peut être utilisé pour des cas de faible densité (air plus fin). Mais le double coin peut être une forme difficile pour comprendre ce qui se passe. Nous avons effectué de nombreuses simulations, mais nous n'avons pas pu obtenir que le flux atteigne un résultat stable ou constant."

Levin a déclaré que la collaboration avec Theofilis a aidé à faire avancer le travail, en particulier en ce qui concerne une nouvelle approche et vers la forme du modèle.

"Il m'a dit, « Je sais que cette condition [sic double coin] est difficile à comprendre du point de vue de la stabilité, mais si vous commencez à imprimer à partir de vos calculs de débit la température ici, ici, et ici, vous verrez que la température ne se stabilisera jamais. Vous verrez des tourbillons et des tourbillons qui vont et viennent. Quand un expert vous le dit, tu fais attention, " dit Levine.

Une chose qu'ils ont faite avant de quitter le double coin était de "réduire artificiellement les conditions dans le tube d'expansion à hypervitesse d'un facteur d'environ un huitième, " Levin a déclaré. "Nous avons encore vu beaucoup de caractéristiques comme les chocs, et recirculation, mais le flux s'est calmé et nous avons pu simuler un état stable."

Les chercheurs ont mis le double coin de côté pour le moment et sont passés à une conception à double cône comme modèle. Lévine a dit, "Il a une symétrie axiale - comme un sommet, il a une symétrie autour de tous les angles, ce qui le rend beaucoup plus facile à calculer."

La recherche a fourni une nouvelle compréhension sur les points de transition dans l'écoulement de lisse à turbulent, qui peut finalement éclairer la conception de véhicules plus sûrs.