Pomalowali skrzydło na różowo. Farba pokazuje niewidzialne siły

Model skrzydła w tunelu aerodynamicznym zaczyna świecić intensywnym różowo-fioletowym światłem. Nie jest to jednak efekt przygotowany wyłącznie dla kamer. NASA dosłownie zamieniła powierzchnię skrzydła w ogromny czujnik ciśnienia. Specjalna farba zmienia jasność w zależności od tego, jak powietrze naciska na poszczególne fragmenty konstrukcji. Szybkie kamery mogą dzięki temu rejestrować tysiące zmian, których klasyczne czujniki punktowe po prostu by nie zobaczyły.

Test przeprowadzono w Transonic Dynamics Tunnel w NASA Langley Research Center w Wirginii. Do środka trafił Benchmark Supercritical Wing, czyli model skrzydła używany jako wzorzec przy badaniach aerodynamiki i sprawdzaniu modeli komputerowych. Nie jest to fragment konkretnego przyszłego samolotu, lecz konstrukcja, której zachowanie inżynierowie bardzo dobrze znają.

Model pokryto unsteady Pressure Sensitive Paint, w skrócie uPSP. Farba pod wpływem odpowiedniego oświetlenia emituje światło, a jego intensywność zależy od ilości tlenu docierającego do znajdujących się w powłoce cząsteczek luminescencyjnych. Wyższe ciśnienie oznacza więcej tlenu przy powierzchni, silniejsze tłumienie luminescencji i ciemniejszy obraz. Przy niższym ciśnieniu farba świeci zaś mocniej.

Nie trzeba więc wiercić w skrzydle setek otworów i instalować pod nimi osobnych przewodów pomiarowych. Kamera patrzy na całą pomalowaną powierzchnię i na podstawie zmian jasności można stworzyć mapę ciśnienia praktycznie dla każdego widocznego punktu modelu.

Można powiedzieć, że to trochę inna odpowiedź na ten sam problem, który w polskim tunelu aerodynamicznym T-3 rozwiązano za pomocą milionów mikroskopijnych baniek wypełnionych helem. Bańki pokazują, jak porusza się samo powietrze wokół konstrukcji. Farba NASA pokazuje natomiast, co ten przepływ robi bezpośrednio z powierzchnią skrzydła.

Klasyczny pomiar ciśnienia w tunelu aerodynamicznym jest oczywiście bardzo dokładny, ale czujnik mierzy tylko tam, gdzie został zamontowany. W modelu wykonuje się niewielkie otwory, prowadzi od nich przewody i zbiera dane z określonych punktów. Jeżeli pomiędzy dwoma czujnikami wydarzy się coś ciekawego, można to przeoczyć. Przy skomplikowanym przepływie, drganiach skrzydła albo gwałtownych zmianach ciśnienia kilka czy kilkadziesiąt punktów pomiarowych nie daje jeszcze pełnego obrazu.

uPSP działa zupełnie inaczej, bo cała widoczna powierzchnia jest warstwą pomiarową, a szybkie kamery mogą śledzić jej zachowanie w czasie. NASA rozwija tę technologię od lat i używała jej już m.in. przy modelach rakiet Space Launch System. Najnowsze systemy potrafią rejestrować dynamiczne zmiany ciśnienia z częstotliwością sięgającą tysięcy pomiarów na sekundę. Inżynier więc zamiast kilkudziesięciu wykresów z pojedynczych czujników dostaje film pokazujący, jak rozkład ciśnienia przesuwa się po całej konstrukcji.

Najnowszy eksperyment był szczególny także ze względu na miejsce, w którym przeprowadzono pomiary. Transonic Dynamics Tunnel może rozpędzić przepływ aż do około Mach 1,2 i pracować nie tylko ze zwykłym powietrzem. W części badań wykorzystuje ciężki gaz R-134a, którego właściwości pozwalają odwzorować na mniejszym modelu zjawiska występujące w pełnowymiarowym samolocie. Dzięki temu konstrukcja może realistycznie drgać, wyginać się i reagować na przepływ bez konieczności budowania wielkiego prototypu.

Dla farby czułej na tlen to jednak ogromny kłopot. Jej działanie opiera się właśnie na kontakcie z tlenem, a środowisko wewnątrz tunelu podczas takich prób ma go niewiele. NASA musiała więc wcześniej przygotować specjalną odmianę powłoki i sprzęt umożliwiający pomiary w takich warunkach.

W testach użyto też szybkich kamer i specjalnego oświetlenia ultrafioletowego. Po jego włączeniu skrzydło zaczęło świecić charakterystycznym różowo-fioletowym światłem, a kolejne klatki obrazu można było przeliczyć na zmiany ciśnienia.

Drugi ważny element testu to sposób zamocowania modelu. Nie był on całkowicie nieruchomy, bo NASA zastosowała uPSP na dużej konstrukcji, która mogła swobodnie reagować na przepływ.

Jeśli technologia ma później służyć do badania aeroelastyczności, czyli wzajemnego wpływu aerodynamicznych sił i odkształcania konstrukcji, to jest to bardzo potrzebne. Prawdziwe skrzydło nie jest przecież idealnie sztywną deską. Ugina się pod obciążeniem, drga, a przy określonych warunkach mogą pojawić się zjawiska groźne dla całego samolotu.

Tunel TDT powstał właśnie m.in. po to, by takie sytuacje badać. NASA chce teraz łączyć informacje o ruchu konstrukcji z mapą ciśnienia obejmującą całe skrzydło. To pozwoli dokładniej sprawdzać modele komputerowe jeszcze przed budową pełnowymiarowego samolotu.

Projektanci chcą teraz budować dłuższe i lżejsze skrzydła, które zmniejszają opór i zużycie paliwa, ale jednocześnie znacznie mocniej pracują w locie. W nowych eksperymentalnych samolotach bada się już nawet rozwiązania, które aktywnie zmieniają przepływ wokół skrzydła zamiast polegać wyłącznie na klasycznych lotkach i klapach.

Największą wartością uPSP jest przede wszystkim liczba danych, które można zebrać podczas jednego przebiegu w tunelu. NASA podaje, że rozwój szybkich kamer, komputerów i samej powłoki pozwolił w ostatnich latach zwiększyć szybkość pomiarów około 10 tys. razy, a rozdzielczość danych około tysiąca razy w porównaniu ze starszymi rozwiązaniami. Część wyników można dziś dostać po kilkunastu czy kilkudziesięciu minutach, zamiast analizować eksperyment przez kolejne dni lub tygodnie.

Przeczytaj także:

To jest szczególnie istotne zwłaszcza w tunelu aerodynamicznym, gdzie czas testowy jest drogi i dokładnie zaplanowany. Jeśli wyniki od razu pokażą dziwny rozkład ciśnienia, zespół może zmienić ustawienia modelu i powtórzyć próbę jeszcze podczas tej samej kampanii. Po ostatnim teście NASA chce użyć tej techniki na bardziej elastycznych modelach skrzydeł, które będą wyraźnie uginały się pod wpływem przepływu. Wtedy różowo-fioletowa powierzchnia ma pokazać nie tylko, gdzie powietrze naciska najmocniej, ale także jak ten nacisk zmienia się razem z poruszającym się skrzydłem.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: NASA