เครื่องบินอวกาศที่พัฒนาโดยนาซา

ยานทดสอบ X-51A คาดว่าจะพัฒนาเป็นขีปนาวุธที่สามารถบินด้วยความเร็วมัค 6 หรือหกเท่าของความเร็วเสียง ทำให้สามารถโจมตีเป้าหมายที่ "วิกฤติเวลา" แบบเคลื่อนที่ได้ สแครมเจ็ตอาจขับเคลื่อนเครื่องบินอวกาศของกองทัพและพลเรือนในอนาคต การทำงานของอุโมงค์ลมที่เงียบมีความสำคัญต่อการรวบรวมข้อมูลเพื่อแสดงได้อย่างแม่นยำว่าอากาศไหลผ่านพื้นผิวของยานพาหนะขณะบินอย่างไร Steven Schneider วิศวกรการบินและอวกาศและศาสตราจารย์แห่ง Purdue's School of Aeronautics and Astronautics กล่าวว่าไม่มีอุโมงค์ลมอื่นใดที่ทำงานอย่างเงียบเชียบขณะทำการทดลองในกระแสลมที่เดินทางด้วย Mach 6 "อุโมงค์ลมที่เงียบสงบให้ข้อมูลที่แม่นยำกว่า เพราะมันจำลองการบินได้ใกล้เคียงกว่า" เขากล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิศวกรต้องการข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสลมจาก "ราบเรียบ" หรือราบเรียบ ไปสู่ความปั่นป่วนเมื่อมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหนือพื้นผิวของเครื่องบิน ข้อมูลนี้จำเป็นต่อการออกแบบยานยนต์ที่บินด้วยความเร็วเหนือเสียง หรือเร็วกว่ามัค 5 เกือบ 4,000 ไมล์ต่อชั่วโมงได้อย่างเหมาะสม ชไนเดอร์กล่าว โครงการ X-51 นำโดย Air Force Research Laboratory และ Defense Advanced Research Projects Agency และยานพาหนะกำลังสร้างโดย Pratt & Whitney และ Boeing Co. วิศวกรของ Purdue เป็นส่วนหนึ่งของทีมนักวิจัยระดับชาติจากรัฐบาล สถาบันการศึกษา และอุตสาหกรรมการจัดการด้านต่างๆ ของยานพาหนะ การวิจัยของ Purdue มุ่งเน้นไปที่ส่วนหน้าหรือส่วนหน้าของยาน โดยใช้แบบจำลองความยาวฟุตสำหรับการทดสอบในอุโมงค์ลม ผลการวิจัยกำลังให้ข้อมูลในสองประเด็นสำคัญ: การรักษาการไหลของอากาศที่ปั่นป่วนเข้าไปในเครื่องยนต์สันดาปเพื่อให้สแครมเจ็ททำงานได้อย่างถูกต้อง และเพิ่มปริมาณการไหลเวียนของอากาศที่ราบรื่นบนพื้นผิวด้านบนของยานพาหนะเพื่อลดแรงเสียดทานและความร้อนที่อาจสร้างความเสียหายหรือทำลาย ยานพาหนะ. ยิ่งเลขมัคสูงเท่าไหร่ แรงเสียดทานและความร้อนที่เกิดขึ้นขณะบินก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ผลการวิจัยมีรายละเอียดอยู่ในรายงานการวิจัยที่จะนำเสนอในวันที่ 8 มกราคมระหว่างการประชุมและนิทรรศการวิทยาศาสตร์การบินและอวกาศแห่งสถาบันการบินและอวกาศแห่งอเมริกาครั้งที่ 46 ในเมืองรีโน รัฐเนฟ บทความนี้เขียนโดยชไนเดอร์และผู้ช่วยวิจัยระดับบัณฑิตศึกษา Matthew P. Borg X-51A เป็นยานพาหนะรูปทรงลิ่มที่มีฝาครอบคล้ายตักที่ใต้ท้อง ซึ่งอากาศจะไหลเข้าสู่ทางเข้าของเครื่องยนต์สันดาป ชไนเดอร์กล่าวว่า อากาศที่เข้าสู่ทางเข้าจะต้องปั่นป่วนที่ความเร็วเหนือเสียง มิฉะนั้นเครื่องยนต์อาจ "สตาร์ทไม่ติด" ซึ่งเป็นสาเหตุให้เครื่องยนต์ขัดข้อง ด้วยเหตุผลนี้ อากาศจึงต้องถูกแปลงเป็นกระแสปั่นป่วนก่อนที่จะเข้าสู่ทางเข้า การแปลงนี้ทำได้โดยใช้แถบโลหะที่ยกขึ้นวางใกล้กับทางเข้าเพื่อ "เดินทาง" อากาศจากเรียบเป็นปั่นป่วน การทดสอบในอุโมงค์ลมช่วยให้วิศวกรเข้าใจ "การเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากความหยาบ" ได้ดีขึ้น ผลการวิจัยจะช่วยให้วิศวกรสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำว่าควรวางการเดินทางไว้ที่ไหน และควรยกขึ้นจากผิวเครื่องบินได้ไกลแค่ไหน Schneider กล่าว การทดลองภายใต้สภาวะที่เงียบสงบทำให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการทดลองภายใต้สภาวะที่มีเสียงดัง ข้อมูลที่เงียบสงบระบุว่าการเดินทางควรเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ในขณะเดียวกัน อากาศที่ไหลผ่านด้านบนของรถควรมีความนุ่มนวลมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดแรงเสียดทานและความร้อน ซึ่งจะเพิ่มแรงต้านและจำเป็นต้องมีระบบป้องกันความร้อนที่หนักขึ้นสำหรับผิวโลหะบางๆ ของรถ ข้อมูลจากการทดลองจะถูกใช้เพื่อประเมินสมรรถนะของส่วนนั้นของยานพาหนะ Schneider กล่าวว่า "การไหลของอากาศแบบลามินาร์สามารถให้ความร้อนน้อยกว่าแบบปั่นป่วนถึงแปดเท่า" นักวิจัยใช้สีที่ไวต่ออุณหภูมิเพื่อวัดว่าผิวของโมเดลร้อนแค่ไหนในระหว่างการทดสอบ สีถูกเคลือบบนแถบไนลอนที่ใส่เข้าไปในโมเดล การฉายแสงสีน้ำเงินลงบนแถบระหว่างการทดสอบจะสร้างแสงสีแดงที่ขึ้นกับอุณหภูมิจากสี ความเข้มของแสงสีแดงแสดงว่าพื้นผิวร้อนเพียงใด Schneider กล่าวว่า "ผลงานของเราสามารถใช้เพื่อช่วยระบุความร้อนและแรงเสียดทานที่ผิวหนังของยานพาหนะ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบ X-51A" Schneider กล่าว ยานเกราะลำนี้มีกำหนดบินทดสอบหลายชุดภายในปี 2552 โครงการนี้เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามสร้างขีปนาวุธในอนาคตที่เร็วกว่าจรวดร่อนในปัจจุบันถึง 6 เท่า สแครมเจ็ตหรือแรมเจ็ตสันดาปความเร็วเหนือเสียงอาจนำไปสู่การออกแบบ เครื่องบินอวกาศ ที่มีค่าใช้จ่ายในการใช้งานน้อยกว่ากระสวยอวกาศในปัจจุบันมาก ทำให้การบรรทุกน้ำหนักบรรทุกขึ้นสู่วงโคจรมีราคาไม่แพงมาก เครื่องบินอวกาศจะใช้สแครมเจ็ตและจรวดร่วมกัน เนื่องจากสแครมเจ็ตใช้อากาศจากชั้นบรรยากาศเป็นตัว "ออกซิไดเซอร์" ในการเผาไหม้เชื้อเพลิง จึงไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนเหลวสำหรับจรวด ซึ่งหมายความว่ายานพาหนะที่ติดตั้งสแครมเจ็ตจะบรรทุกออกซิเจนเหลวได้น้อยลง เพียงพอต่อการใช้จรวดในระดับความสูงสูงเท่านั้น "และถ้าคุณไม่ต้องบรรทุกสารออกซิไดเซอร์มาก คุณก็สามารถทำให้รถมีน้ำหนักเบาลงมาก หรือคุณอาจทำให้โครงสร้างหนักขึ้นและแข็งแรงขึ้น" Schneider กล่าว นักวิจัยสามารถสลับอุโมงค์ลมไปมาได้จากการไหลเวียนของอากาศที่เงียบไปเป็นที่มีเสียงรบกวนสูง ซึ่งช่วยให้สามารถเปรียบเทียบคุณภาพของข้อมูลในสองโหมดได้ ในการวัดความเร็วลมและความปั่นป่วน นักวิจัยใช้ลวดความร้อนประมาณหนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ ยิ่งความเร็วของกระแสลมสูงเท่าไร ลวดก็ยิ่งเย็นลงเท่านั้น และยิ่งต้องใช้กระแสไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อรักษาอุณหภูมิที่ร้อนของลวด การตรวจสอบกระแสที่เปลี่ยนแปลงซึ่งจำเป็นต่อการรักษาอุณหภูมิของสายไฟ เผยให้เห็นความเร็วลมที่เปลี่ยนแปลงที่ความผันผวนสูงถึง 250,000 ครั้งต่อวินาที Schneider กล่าว เอกสารการวิจัยให้รายละเอียดเกี่ยวกับการค้นพบที่สำคัญครั้งแรกจากอุโมงค์ลมที่เงียบสงบหลังจากการวิจัยประมาณ 18 ปีเพื่อให้สิ่งอำนวยความสะดวกสมบูรณ์แบบ ซึ่งจะใช้ในการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของยานพาหนะที่มีความเร็วเหนือเสียง Schneider กล่าวว่า "Purdue กองทัพอากาศและอุตสาหกรรมเอกชนได้ลงทุนประมาณ 1 ล้านดอลลาร์ในอุโมงค์นี้ และในที่สุดมันก็ใช้งานได้และได้ผลลัพธ์ที่ส่งผลต่อการออกแบบยานพาหนะเหล่านี้" Schneider กล่าว รถ Scramjet สามารถใช้งานได้ภายในปี 2015 เพื่อให้ได้การไหลที่เงียบ คอของหัวฉีด Mach 6 ต้องได้รับการขัดเงาจนเกือบเป็นกระจกเงา ขจัดความขรุขระที่จะขัดขวางการไหลใกล้ผนังจากลามินาร์ไปสู่การปั่นป่วน จากนั้น เพื่อให้อุโมงค์ลมยังคงเงียบ จะต้องไม่มีอนุภาคใดๆ ทั้งสิ้น แม้แต่ทรายเพียงเม็ดเดียวก็อาจทำให้เกิดความปั่นป่วนภายในอุโมงค์ลม สร้างความเสียหายให้กับผิวสำเร็จและทำลายเอฟเฟกต์ที่เงียบสงบ อุโมงค์ลมไม่ใช่อุโมงค์แรกในประเภทนี้ ก่อนหน้านี้องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติเคยใช้งานอุโมงค์ลมซึ่งมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน แต่ปัจจุบันอุโมงค์ลมดังกล่าวไม่ได้ใช้งานแล้ว