Новая краска от химиков из НАСА поможет ракете SLS выдержать бафтинг

Новая краска от химиков из НАСА поможет ракете SLS выдержать бафтинг
Инженер НАСА Нетти Рузебум (Nettie Roozeboom) проверяет модель ракеты-носителя, окрашенную чувствительной к давлению краской, которая светится в синем свете. Модель закреплена в аэродинамической трубе Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнии

Вот уже более 25 лет НАСА использует для испытаний моделей в аэродинамической трубе краску, чувствительную к давлению — Pressure-Sensitive Paint (PSP). С помощью этой ярко-розовой краски инженеры собирают информацию о давлении воздуха на отдельные элементы конструкции. Распределение давления по корпусу во время движения в воздухе — крайне важная информация, её зачастую невозможно получить никаким другим способом, только с помощью PSP.

В прежние времена давление на корпусе модели измеряли с помощью измерительных микрофонов и специальных штуцеров, которые ввинчивали через маленькие отверстия в ключевых местах корпуса, где нужно снять показания. Проблема была в том, что внутри модели иногда не хватало места для размещения электроники и трубок. Да и если просверлить в корпусе ракеты слишком много дырок, то он сам превратится в один сплошной штуцер. А в последнее время появилась ещё одна проблема. В ходе тестирования дизайна чрезвычайно узкого крыла с подпорками будущего самолёта Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR) выяснилось, что некоторые части модели крыла настолько узкие, что вставить штуцер невозможно — измерить давление воздуха в этих местах способна только краска.


Концепт самолёта SUGAR Volt с газовой турбиной, электромотором и складными крыльями

Сейчас самолёты будущего проектируют и новые ракеты испытывают с помощью краски на люминофорах, идея которой родилась более 80 лет назад у знаменитого австрийского химика Ханса Каутского, первооткрывателя флуоресценции хлорофилла и синглетного кислорода. Идею воплотили в жизнь спустя много лет: в 80-е годы компания «Боинг» впервые применила её для обдува моделей в аэродинамической трубе.

Как работает PSP, общая схема:

  • На модель с помощью аэрозоля напыляется слой краски толщиной около 0,0015 мм, краска должна высохнуть.
  • Модель устанавливается в аэродинамической трубе, стенки которой оборудованы синими светодиодными лампами и специальными чёрно-белыми камерами.
  • Во время обдува модели различные её части подвергаются разному давлению воздуха. Синий свет светодиодов возбуждает люминофоры в краске, заставляя её флуоресцировать.
  • В то же время благодаря химическому составу краски молекулы кислорода гасят люминофоры. Под высоким давлением воздуха реакция протекает активнее, так что в этих местах краска хуже светится. В областях низкого давления меньше кислорода, там краска светится ярче.
  • Изменения в яркости краски снимаются на видео во время теста, а видеоматериал потом обрабатывается. Интенсивность градаций серого преобразуется в цветовую шкалу, которая соответствует разным уровням давления.

Краска PSP используется и с целью уточнения моделей в компьютерных программах вычислительной гидродинамики (CFD), которые использует НАСА.

Чувствительную к давлению краску НАСА начало использовать с 80-х годов вслед за компанией «Боинг». В 1989 году была разработана первая формула PSP — той краски, которая практически без изменений использовалась до настоящего времени. Тогда же в Исследовательском центре Эймса оборудовали первую трубу с освещением и камерами. Сейчас у НАСА три такие оборудованные трубы в разных исследовательских центрах.

Недавно руководство НАСА выделило грант на разработку новой версии PSP, которая отличается меньшей стабильностью и способна изменять яркость в масштабе микросекунд (чувствительность краски к кислороду повысили за счёт увеличения её пористости и, как следствие, площади контакта с окислителем). Новую краску назвали Unsteady PSP, то есть «нестабильная PSP».


Инженер НАСА Нетти Рузебум измеряет шероховатости поверхности модели ракеты перед покраской и тестами в аэродинамической трубе

Новая краска даёт гораздо более точную информацию в интерактивном режиме об изменении давления на разные части ракеты. Например, её использовали во время обдува ракеты Space Launch System (SLS) — будущей тяжёлой ракеты на 105 метрических тонн, которая сможет вывести в космос космический корабль Orion с экипажем и грузом до Марса. Предварительные расчёты показали, что бафтинг в полёте может оказаться настолько велик, что требуется изменение отдельных элементов конструкции. Для предварительной оценки бафтинга и испытаний новой краски примерную модель SLS покрасили нестабильной PSP и прогнали через трубу.


Симуляция бафтинга за несколько мгновений перед достижением скорости звука, более качественное видео

В ноябре 2015 года инженеры провели один раунд тестирования примерной модели SLS на бафтинг в аэродинамической трубе. Повторный тест с дополнительной камерой планируют провести позже в этом году. А в более отдалённом будущем новая краска от НАСА может пригодиться специалистам по вычислительной гидродинамике в других отраслях промышленности, кроме авиастроения и ракетостроения.


Источник

CFD, nasa, SLS, Space Launch System, аэродинамическая труба, бафтинг, вычислительная гидродинамика, обдув

Читайте также