桑迪亚国家实验室(Sandia National laboratory)拥有高超音速风洞和先进的激光诊断技术，在帮助美国国防机构理解飞机以五倍音速飞行的物理原理方面处于有利地位。
随着潜在的对手报告称，他们在研发速度可达5马赫或更高的飞机的项目上取得了成功，美国研发自主高超音速系统是国防的首要任务。
这使得桑迪亚航空科学部门的航空工程师史蒂文·贝雷什和他在高超音速风洞的同事最近很受欢迎。
“以前，人们的态度是，高超音速飞行需要30年，而且永远都是，”首席风洞工程师贝雷什(Beresh)说。“现在国家需要的是明天。我们变得非常忙。”
隧道里很冷
空气嗖的一声，然后是隆隆声，接着是电的嗡嗡声。随着空气以5马赫、8马赫或14马赫(取决于压力设置)的速度从隧道进入真空，这一过程将持续约45秒。5马赫喷嘴使用高压空气(氮气和氧气)。单独使用氮的速度更快，可以加压到每平方英寸8600磅。作为比较，汽车轮胎的推荐压力通常在30 - 35psi之间。有这么多的潜在能量，氮必须储存在一英尺厚的墙后的掩体里。
一个模型——通常形状像一个圆锥体、圆柱体或可能用于飞行器的尾翼复制品——被放置在隧道直径18英寸的测试部分。由于需要，这个直径4到5英寸的模型并不是全尺寸模型的精确复制品，但可以处理各种仪器、几何变化和旋转测试。风洞工程师的部分工作就是了解这些缩放问题。
在测试区里，温度可能会非常低，所以每个马赫数特有的电阻加热器会加热气体，防止气体凝结。没有热量，空气或氮气在风洞中变成冰。这些加热器的工作原理就像一个非常大的电吹风——3兆瓦的电吹风——可以将隧道开始处的空气温度提高到华氏2000度以上。当空气或气体进入测试室时，温度可以降至零下400华氏度。
高超音速下的物理学
在讨论桑迪亚对高超声速研究的贡献时，Beresh提到了解决“高超声速问题”，基本上就是试图掌握空气如何以超过5马赫的速度流过物体的物理原理。
“在高超音速下，物理学是非常困难的，”Beresh说。空气和气体的反应不同于亚音速;材料被置于极端温度和压力下;此外，指导机制也需要承受这些压力，这是一个额外的挑战。
“我们掌握了一些信息，但还不够，”他说。“我们主要是在处理再入飞行器。之前的想法是让飞行器存活下来;现在，它需要蓬勃发展。我们正试图飞过它。”
桑迪亚高超音速研究的一个主要优势是人员团队。诊断科学的机械工程师丹尼尔·理查森(Daniel Richardson)说:“要真正在高超声速研究中产生影响，需要高超声速飞行器、流体动力学、测量科学和计算机模拟方面的专家之间的合作。”“这样你才能开始理解潜在的物理现象。”
婚姻的测量
“正是这些测量与风洞能力的结合，赋予了桑迪亚在全国的地位，”Beresh说。“你必须要有能同时做到这两点的人。”
理查森说:“桑迪亚一直处于开发新测量技术的前沿。”“我们一直在努力提高测量能力。”
桑迪亚正在使用先进的激光来测量气体通过模型的速度、气流方向、气体的压力和密度，以及热量是如何传递到模型的。
理查森说:“有时，关键是你能离物体表面多近，才能看到气体在那样的速度下是如何反应的。”“不仅仅是在模型的前面，而是在它的后面。我们的最终目标是随时随地测量一切事物。”
丹尼尔·理查森(左)是桑迪亚国家实验室诊断科学的机械工程师，张毅斌是博士后研究员，他们观察到一种激光，记录了高超音速风洞中的测量数据。(兰迪·蒙托亚拍摄)
冻结时间
激光瞄准测试区的矩形窗口，允许光线进入测量内部的空气流动。近年来，随着飞秒时间尺度激光器的商业化，新的测量能力已经成为可能。等于10-15年或者十亿分之一秒的一百万分之一秒。
理查森说:“这些激光脉冲的时间非常短，但强度非常高。”“在飞秒的时间尺度上，几乎所有的运动都停止了，或冻结了。”通过将飞秒激光与高速摄像机耦合，每秒可以进行数千次测量。
理查森说:“这种尖端设备使桑迪亚公司能够从每次风洞运行中提取比以前更多的数据。”
开发和验证
与美国国家航空航天局或空军的大型风洞相比，桑迪亚的高超音速风洞使用起来相对便宜，但测试在开发建模和仿真能力方面还有很长的路要走。贝雷什和理查森说，它将实验和计算结合起来，推动科学向前发展。
桑迪亚风洞为国家做出贡献的历史悠久;第一个实验室建于1955年。即使在当今工程实践的计算模拟时代，风洞也是航空航天技术的关键。
理查森说:“我们正在进行更精确的测量，因为我们一直在努力提高这种能力。”“高超音速风洞和测量科学是桑迪亚研究的重要组成部分。这是未来能力的试验场。”
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