旅行时在五倍音速或更快,最小程度的动荡是一个多的坎坷,说桑迪亚国家实验室航空航天工程师第一次特征的振动影响压力场在这些微小的高超音速湍流点之一。
“问题是这些乱流非常快，而且非常小，”研究员卡提亚·卡斯珀(Katya Casper)说。“在高超声速流动中，每秒都有数千个湍流点，我们需要非常快速的技术来研究它们的行为。”
卡斯珀说，压力场是理解间歇性湍流点如何震动以5马赫或更大速度飞行的飞机的关键。高超音速飞行器承受着高水平的脉动压力，必须设计得能够承受由此产生的振动。
简单地放置，能够表征和预测这些压力斑点导致更好的车辆设计。
“对非定常压力场的理解对于高超声速飞行器在各种国家安全项目中的应用建模是极其重要的，”桑迪亚先进科学技术项目办公室的高级经理Basil Hassan说。
Hassan说:“这种先进的诊断开发工作为桑迪亚的基础发现和模型验证形成了独特的数据集，并已被用于改善几个国家高超音速飞行项目的飞行预测。”
Mach 6的一个超声波湍流点的压力占地面积作为湍流空气在物体上流动，每秒发生成千上万的这样的斑点，导致严重振动。信用：Katya Casper
在过去几年中，Casper的实验已经从使用微型电子传感器到具有压敏涂料的先进成像技术，这适用于在风洞中测试的模型，并通过专门的相机进行光学地测量压力波动。
The American Institute of Aeronautics and Astronautics recently cited Casper’s breakthrough in characterizing hypersonic turbulent spots and her work with novel fluctuating pressure instrumentation when announcing earlier this year she had won the organization’s Lawrence Sperry Award, given for notable contributions in the field by a person age 35 or younger.
动荡的斑点如何振动超音速车辆
Casper的实验表征过度湍流斑点使用创新的诊断技术来提供对压力波动与车辆结构反应之间的相互作用的洞察力。
利用先进的成像技术和高速传感器，这项工作表明，过渡压力波动是由一毫秒内经过的间歇性湍流点产生的。随着斑点的增长，它们合并成一个完全湍流的层。卡斯珀捕捉到的数据有助于改进由她在桑迪亚的同事开发的预测性计算机模拟。
在桑迪亚的高超声速风洞中，卡斯珀使用了一个锥形模型，该模型集成了一个嵌有压力传感器和加速度计的薄板，研究了湍流点的响应或振动。
当频率湍流斑点匹配面板的自然结构频率时，振动水平产生强大的共振超过200倍，比当斑点不匹配到面板时，她说。“这将是飞行最糟糕的情况。”现在工程师有一种改进的方法，可以预测这种情况并适应它。
爆破涂料测量压力
卡斯珀的很多工作都发生在桑迪亚的风洞里，但还不止于此。去年，Casper将类似的压力诊断技术移植到Sandia的风洞中，在更大的现场测试中演示了首次在风洞中使用的压力敏感涂料技术。她结合了复杂的照明、高速摄像机和精心配制的压敏漆的化学成分，来捕捉冲击波滚过车辆的效果。
就像风洞中的动荡点一样，冲击波产生了可以振动飞行车辆的不稳定压力负荷。
通过在6英尺直径的喷砂管的一端爆炸的爆炸性电荷，在击中另一端的模型之前，冲击波穿过管。传统上，将在模型上放置数百个小压力传感器以测量力。相反，使用压敏涂料提出的Casper。
“通过传感器，您只能在放置的离散位置获得压力读数，”卡珀说。“用涂料，你可以在任何地方获得数据。”
八月，油漆在模特鼻锥上被喷刷。四个高功率的水冷紫外线闪耀在压敏涂料上，导致它发荧光。涂料暴露的氧气越多，它的荧光越少。压力越大，氧气越大。因此，随着爆炸的冲击波通过模型，越来越大的压力，涂料的辉光的强度减小。
用高速相机以25千赫兹(每秒2.5万周)的速度拍摄，再加上用来阻挡紫外线的滤光片，就会在模特身上留下一个从头部到底部的阴影;然后当反射的冲击波经过时，阴影从基部蔓延到顶端。
涂料的繁荣的变化可以校准到模型上施加的压力量。
Casper和Team在两天内进行了八个爆破管，并从首次进行了一项测试中学到了一些有价值的教训。例如，随着阳光干扰油漆的繁荣时，测试在暗淡或至少混浊时，测试会收集更好的数据。
“这是一种测量爆破管压力的新方法，”她说。“总的来说，测试成功，并且随着一些调整，最终应该有助于确定如何保护来自冲击波的物体。”
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