Przełom w badaniach nad turbulencjami przy ekstremalnych prędkościach
Podstawowym wyzwaniem w lotach hipersonicznych pozostają skrajne warunki fizyczne. Przy prędkościach rzędu Mach 5-10 pojazd generuje intensywne ciepło, a zachowanie otaczającego powietrza staje się trudne do przewidzenia. Turbulencje osiągają niezwykłe natężenie, a gaz podlega procesowi ściskania – zjawisku znanemu jako ściśliwość. Badania opublikowane w Nature Communications sugerują, że ten problem może być łatwiejszy do rozwiązania niż dotychczas zakładano. Nicholaus Parziale z Stevens Institute of Technology potwierdził eksperymentalnie hipotezę oczekującą na weryfikację od połowy ubiegłego wieku. To odkrycie może znacząco uprościć proces projektowania przyszłych pojazdów hipersonicznych.
Czytaj też: Silnik 10 razy lżejszy od tradycyjnego. 50 lat badań przynosi przełom w napędzie samolotów
W połowie XX wieku Mark Morkovin przedstawił teorię, która mogłaby ułatwić pracę inżynierom. Według jego założenia, zachowanie turbulencji przy prędkościach Mach 5-6 nie różni się fundamentalnie od obserwowanego przy niższych prędkościach. Gdyby ta koncepcja się potwierdziła, projektanci mogliby wykorzystać dotychczasową wiedzę o wolniejszych przepływach, zamiast zaczynać od zera. Zespół Parziale’a dostarczył właśnie dowodów na poparcie tez Morkovina. Jak wyjaśnia profesor:
Zasadniczo, hipoteza Morkovina oznacza, że sposób poruszania się turbulentnego powietrza przy niskich i wysokich prędkościach nie różni się aż tak bardzo. Jeśli hipoteza jest poprawna, oznacza to, że nie potrzebujemy całkowicie nowego sposobu rozumienia turbulencji przy tych wyższych prędkościach. Możemy użyć tych samych koncepcji, których używamy dla wolniejszych przepływów.
Innowacyjna metoda Krypton Tagging Velocimetry
Weryfikacja hipotezy wymagała jedenastoletnich prac nad nową metodą badawczą. Zespół opracował technikę zwaną Krypton Tagging Velocimetry, wykorzystującą lasery do jonizacji gazu kryptonowego w tunelu aerodynamicznym. Pozwala to na wizualizację przepływów przy prędkości Mach 6 z niespotykaną dotąd precyzją.
Gdy ta linia porusza się wraz z gazem, w przepływie widać zmarszczki i strukturę, a na tej podstawie możemy wiele dowiedzieć się o turbulencji. I to, co odkryliśmy, to że przy Mach 6 zachowanie turbulencji jest dość zbliżone do przepływu nieściśliwego – dodaje Parziale
To istotny postęp w metodologii badań aerodynamicznych. Dotychczas naukowcy nie dysponowali narzędziami umożliwiającymi tak dokładną obserwację zachowania powietrza przy ekstremalnych prędkościach. Dla inżynierów oznacza to wymierne korzyści. Projektowanie pojazdu hipersonicznego stanowi niezwykle złożone zadanie obliczeniowe. Symulowanie wszystkich detali przepływu powietrza przy Mach 6 przekracza możliwości nawet najwydajniejszych superkomputerów.
Dziś musimy używać komputerów do projektowania samolotu, a zasoby obliczeniowe do zaprojektowania samolotu, który będzie latał z Mach 6, symulując wszystkie drobne szczegóły, byłyby niemożliwe. Hipoteza Morkovina pozwala nam na przyjęcie upraszczających założeń, dzięki czemu wymagania obliczeniowe do projektowania pojazdów hipersonicznych stają się bardziej wykonalne – zauważa badacz
Dzięki potwierdzeniu hipotezy Morkovina inżynierowie mogą wykorzystać sprawdzone modele matematyczne zamiast budować wszystko od podstaw. Nie oznacza to jednak, że projektowanie stało się proste – wciąż istnieją poważne wyzwania techniczne. Do kluczowych problemów należą:
- odporność na ekstremalne temperatury – przy prędkościach hipersonicznych powierzchnia pojazdu może nagrzewać się do tysięcy stopni Celsjusza
- systemy napędowe – konwencjonalne silniki odrzutowe nie funkcjonują przy tak wysokich prędkościach
- koszty produkcji – materiały i technologie niezbędne do budowy pojazdów hipersonicznych wiążą się z ogromnymi wydatkami
- bezpieczeństwo lotu – kontrola pojazdu przy takich prędkościach wymaga zaawansowanych systemów sterowania
Podwójne zastosowanie technologii. Transport globalny i kosmiczny
Technologia hipersoniczna może znaleźć zastosowanie nie tylko w transporcie naziemnym, lecz również w dostępie do przestrzeni kosmicznej. Lot z Sydney do Los Angeles w godzinę to tylko jeden z potencjalnych scenariuszy. Podobnie szybko można byłoby dotrzeć z Warszawy do Tokio czy z Londynu do Nowego Jorku. Parziale dostrzega jednak jeszcze większy potencjał w zastosowaniach kosmicznych:
Jeśli możemy budować samoloty, które latają z prędkością hipersoniczną, możemy również latać nimi w kosmos, zamiast wystrzeliwać rakiety, co ułatwiłoby transport na niską orbitę okołoziemską. Będzie to przełom dla transportu nie tylko na Ziemi, ale także na niskiej orbicie.
Czytaj też: Wlecieli samolotem w oko huraganu kategorii 5. To co nagrali przekracza ludzkie wyobrażenia
Zamiast jednorazowych rakiet, które ulegają zniszczeniu podczas startu, moglibyśmy używać wielokrotnych pojazdów hipersonicznych. To potencjalnie obniżyłoby koszty dostępu do przestrzeni kosmicznej i stworzyło nowe możliwości dla badań naukowych oraz zastosowań komercyjnych. Oczywiście z obecnej perspektywy loty hipersoniczne dla pasażerów cywilnych pozostają odległą perspektywą – mówi się o latach, a być może dekadach. Mimo to, potwierdzenie hipotezy Morkovina stanowi istotny krok naprzód. Nie rozwiązuje wszystkich problemów, ale wskazuje, że niektóre z nich mogą być prostsze niż początkowo zakładano.