Евтините тестови повърхности във въздуха могат да изучават хиперзвукови технологии

Newswise – Миниатюрни сателити, известни като CubeSats, поемат по-големи роли в космически мисии, които някога може да са били извършвани от по-скъпи конвенционални космически кораби. Сега изследователи от Технологичния институт на Джорджия предвиждат по-голяма мисия за CubeSats като тестови платформи във въздуха за технологии, които се разработват за следващи поколения хиперзвукови превозни средства.

Разработването на хиперзвукови превозни средства, способни да пътуват през земната атмосфера с Mach 5 или по-бързо – пет пъти скоростта на звука – привлича значително ново правителствено и индустриално финансиране. Но съоръженията за изпитване, необходими за оценка на термодинамиката, аеродинамиката, акустиката и други проблеми, критични за работа в тази сурова среда, са ограничени, крайно необходими и скъпи за използване.

Изследователите от Georgia Tech искат да премахнат тази бариера чрез изграждане на здрави CubeSats, които могат да използват повторно влизане от космоса, за да генерират условията, необходими за оценка на хиперзвуковите технологии. Малките спътници, чиито основни системи са защитени от обратна топлина, ще бъдат изстреляни в горните слоеве на атмосферата от Международната космическа станция или ракета за споделено пътуване, за да осигурят няколко минути тестване при скорости до Mach 25.

„Проучваме осъществимостта на това, което би могло да бъде евтин летящ аеродинамичен тунел“, каза Криш Ахуджа, професор по аеронавигационно инженерство и председател на отдела за космос и акустика в Лабораторията за напреднали системи и аерокосмическа лаборатория в Технологичния изследователски институт на Джорджия, Криш Ахуджа. GTRI Institute и главен изследовател на проекта. „Можем да съберем почти всякакви данни, които може да са необходими за хиперзвукови изследвания и да предоставим нов начин за провеждане на изследвания, които може да са много трудни за извършване сега.“

Предварително проучване, което предлага разработването на превозно средство 6U

Въз основа на шестмесечно проучване за осъществимост, което включваше сътрудници от Колежа по аеронавигационно инженерство на Georgia Tech и две частни компании, Ahuja вярва, че би било полезно да се продължи проектирането на 6U тестово превозно средство за оценка на концепцията. (6U CubeSat е приблизително с размера на настолен системен модул). Ако това е обещаващо, по-големи превозни средства могат да бъдат построени с по-способни инструменти, кормилно управление и дори задвижване.

Целта на първата година от проекта е да се разбере какво е необходимо за разработване и стартиране на летателни тестове – и за възстановяването им след полет. Проектирането и разработването на нови тестови превозни средства трябва да преодолее значителни предизвикателства, свързани с контролирането на продължителността на полета, скоростта, надморската височина и ориентацията на превозното средство по време на събирането на данни. Трябва също да бъдат разработени системи за комуникация със земята и проследяване на пътя на автомобила. Освен това част от целта за първата година е да се създаде пътна карта, която очертава процеса на разработка и тестване.

„Продължаващата работа ще включва анализ на „система от системи“ на концепцията, за да се моделира нейната производителност и взаимодействие с други поддържащи системи, за да се оцени способността й да провежда научни изследвания“, каза Ахуджа. Нашите предварителни изчисления показват, че 6U CubeSat може да бъде закален със система за термична защита за хиперзвукови условия, за да подпомогне ограничени изпитания за осъществимост. Това ще бъде градивният елемент за бъдещи системи, които ще бъдат по-големи и способни да извършват тестовете, които си представяме.”

Първоначалното тестване вероятно ще включва свободно падане на тестовото превозно средство, но следващите тестове ще включват контролни повърхности, които биха осигурили управление за предотвратяване на катастрофи и други нежелани ефекти. Множество CubeSat също могат да работят заедно.

Възможни нови възможности за малки сателити

Сателитите се наричат ​​CubeSats, защото са проектирани със стандартни размери на кубчета, които обикновено не са предназначени за възстановяване след мисия; Когато са готови, те просто изгарят в атмосферата. Тъй като Ahuja иска да проучи въздействието върху материалите и да улови данни от бордови инструменти, летящите спътници в аеродинамичния тунел ще трябва да бъдат извадени с помощта на парашути, които биха ги пуснали в зоната за възстановяване, вероятно в югозападната пустиня.

„Приземяването им на правилното място ще изисква добро управление и контрол, добра телеметрия и система за задвижване“, каза той. Предизвикателството ще бъде да направим тези неща много малки и евтини. За да получим информацията, от която се нуждаем, ще трябва да донесем безопасно тестовото легло на Земята.”

По-високите температури, генерирани от повторното влизане в земната атмосфера, могат да бъдат полезни за нещо повече от симулиране на хиперзвукови условия. Ахуджа вярва, че топлината може да се използва за захранване на специално устройство, което може да осигури насочване към CubeSats, които обикновено нямат системи за задвижване.

Голяма част от настоящите изследвания на хиперзвуковите полети разчитат на данни от изчислителни симулации на динамиката на флуидите, които се нуждаят от валидиране от тестване. В допълнение към информацията, получена от тестването, Ахуджа вярва, че малкият космически кораб може да има значителен принос, като предостави истинска котва към инструментите за анализ, които изследователите използват за различни хиперзвукови превозни средства.

Необходим е нов подход към хиперзвуковите тестове

Ултразвуковото изпитване обикновено се извършва в краткотрайни аеродинамични тунели или високотемпературни тестови зали, което означава, че е трудно да се постигнат едновременно високоскоростни и високотемпературни условия и в периоди на изпитване, свързани с хиперзвукови превозни средства. Освен това има малко съществуващи съоръжения, където могат да се извършват такива тестове, а търсенето им е голямо. Очаква се новият тест да спести около три минути тестване на полет.

Понастоящем има спешна нужда да се разбере количеството и вида на системата за термична защита, необходима за защита на хиперзвукови превозни средства при високи скорости, където триенето може да доведе до температури над 4000 градуса по Фаренхайт. Освен това има въпроси относно акустичните ефекти и колко неравномерно отоплението ще се разпространи в превозното средство и може да повреди структурата му.

„Въздушният поток през хиперзвуково превозно средство може да бъде турбулентен и ламинарен и различен в различните части на превозното средство“, каза Ахуджа. “Тези широки вариации в свойствата на потока могат да доведат до големи температурни вариации по повърхността на превозното средство, което е силно нежелателно по отношение на структурната цялост на превозното средство. Като такива, ние трябва да разберем какво се случва с материала като резултат на температурните промени с течение на времето.Това топлинно натоварване не може да бъде изследвано в конвенционалните аеродинамични тунели, които обикновено предлагат части от секунди работно време в хиперзвукови условия, тъй като е необходимо известно време тези условия да станат стабилни.

Акустичното натоварване също може значително да повлияе на структурната цялост на хиперзвуково превозно средство и това също изисква време за оценка. „Вокално натоварване от вида, който може да генерира пукнатина в структура, която се развива с течение на времето“, каза той. „Можем да създадем и проучим тези условия с нашия собствен полетен тест.“

Финансирането от програмата за независими изследвания и развитие (IRAD) на GTRI подкрепи инициативата досега и чрез събиране на достатъчно данни от предварителни проучвания, Ahuja се надява да привлече сътрудници, които да помогнат за прилагането на новия подход за тестване.

„Има толкова много ентусиазъм за това, че мисля, че шансовете ни за успех са големи“, каза той. “Като стартирате от друга космическа система, не е нужно да се притеснявате за първоначалната тяга при изстрелване. Това може да отговори на много от предизвикателствата в хиперзвуковите изследвания.”