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.
