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.
Комментарии (31)
3aicheg
31.01.2017 03:49+19Сперва показалось, что на КДПВ Нетти Рузебум не ракету проверяет, а погружается в дополненную порнореальность…
trapwalker
31.01.2017 08:59+2Вот та же мысль пришла… Новыми красками начинает играть выражение rocket-science
ustaspolansky
31.01.2017 10:27+8Стеснялся о подобных мыслях, но зайдя в комментарии немного полегчало.
pnetmon
31.01.2017 06:45+2Вот только на фото не SLS, сейчас https://www.nasa.gov/ames/image-feature/chaotic-airflow-over-rocket-measured-in-groundbreaking-test или в ранних оригиналах нету упоминания SLS например http://www.space.com/33715-nasa-paints-rockets-aircraft-pink-photos.html
igor_kuznetsov
31.01.2017 11:52+2У меня вопрос — сейчас же вроде есть для расчета чего угодно.Физика же описана? Почему не считают и нужно делать обдувку?
TedBronson
31.01.2017 13:23+2Возможно обдувка позволяет проверить модель. Или это оказывается быстрее/дешевле. Последняя гифка в посте как раз показывает симуляцию.
ivan01
31.01.2017 14:56Она показывает не симуляцию, а результаты эксперимента с краской, неплохо бы подправить подпись.
TedBronson
31.01.2017 15:10Действительно, спасибо. Интересно было бы увидеть сравнение с компьютерной моделью. Я видел только симуляцию, которую SpaceX выполняло, и это выглядит чертовски сложной математикой.
ivan01
31.01.2017 15:27Лагучий интернет, и нет наушников, не могу посмотреть полностью. Ну химия у них сложная, ну как сложная, написана она была уже в том же чемкине лет тридцать назад наверное, весь комплекс реакций горения.
С точки зрения аэродинамики ничего запредельного, больше организационных проблем, сетку вот динамически перестраиваемую задать.
Странно, показывают расчет в сопле а на картинке показывают уже струю выходящую из сопла и что мы тут должны сравнить, крутость? )TedBronson
31.01.2017 15:44Я там поставил временную метку, показаны турбулентные потоки при прохождении кораблём Dragon 2 атмосферы, что довольно близко к теме статьи. Разговор как раз идёт про оптимизацию вычислений. Если им для двухмерных расчётов приходится оптимизировать сетку, то трёхмерные и представить сложно.
ivan01
31.01.2017 15:56Нееет, все же у них 3D, не известно на какой это высоте все (какая динамическая вязкость) может это марс, размер объекта сильно меньше, геометрия проще. Видно, что это дозвуковой расчет (с этими вихорьками).
Про сетку они интересное задвигают, у меня вообще складывается ощущение (после просмотра без звука), что у них не метод конечных объемов а конечно разностные схемы используются.
Спектр энергии турбулентности могли бы и поширше нарисовать, чтобы отразить что логарифмический участок ограничен.
engine9
31.01.2017 13:30Слышал от человека, который этим занимается, что симуляция и продувка дают расхождение результатов почти всегда.
donvictorio
31.01.2017 13:48+2дают, но всё зависит от количества переменных влияния и разрешения моделирования, которое, в свою очередь ведёт к необходимости в вычислительных мощностях и времени. но в 90% и более попасть почти всегда возможно.
дуть на краску проще, быстрее и скорее всего дешевле.
upsilon
31.01.2017 14:14+1Есть математические модели, но они не гарантируют 100% точности. Да и для многих областей они лишь разрабатываются.
ivan01
31.01.2017 15:01+1Есть только одна группа методов расчета, которые могут дать нормальный результат — подсеточные нестационарные навье стокса (LES, WMLES, DES, DDES, IDDES, SBES). Пффффф, с таки огромным числом рейнольдса (огроменная ракета, субзвуковая скорость) разрешать вихри подсеточными методами пусть даже только те что важны для бафлинга будет стоить неимоверных компьютерных мощностей. Вот и причина эксперимента.
Psychopompe
31.01.2017 18:57+2Сразу вспомнился фольклор ХАИ:
На лекции по конструкции самолетов преподаватель рассказывает студентам о бафтинге:
— Товарищи, для наглядности приведу сравнение: представьте себе, что во время полета на конце крыла сидит мужик и сильно стучит по крылу самолета. Вот это и есть бафтинг. Понятно?
Голоса из аудитории:
— Да что-то не очень.
Преподаватель:
— Ну ка же. Все просто: сидит мужик и сильно стучит по крылу самолета. Вот это и есть бафтинг. Понятно? А теперь вопрос: как бороться с бафтингом?
Голос из аудитории:
— Надо мужика с крыла сбросить.
IRI
У нас на кафедре такое делали ещё в конце восьмидесятых.
Klok
У нас на жидких кристаллах делали такую краску, а тут люминофоры. Не знаю, в чём принципиальные преимущества «новой» краски, может оно и имеет смысл.
trogg
Если сравнить жидкие кристаллы и люминофор то разница думаю во времени реакции.