NASA planuje wkrótce przetestować innowacyjne narzędzie stworzone w celu pomiaru wyjątkowych fal uderzeniowych, które generuje ich cichy samolot badawczy X-59 podczas lotu z prędkościami naddźwiękowymi. Dzięki tym badaniom inżynierowie chcą zrewolucjonizować sposób, w jaki myślimy o hałasie tworzonym przez tego typu maszyny, oraz udoskonalić technologię minimalizującą uciążliwość dla ludzi znajdujących się na powierzchni ziemi.
Kluczowym elementem tego przedsięwzięcia jest specjalna sonda badawcza, opracowana do przechwytywania unikalnych fal uderzeniowych, jakie generuje X-59. Sonda ta, której stożkowaty kształt został zaprojektowany z myślą o specyficznych warunkach lotu, jest niezwykle zaawansowanym narzędziem pozwalającym na precyzyjny pomiar ciśnienia powietrza w czasie rzeczywistym. Badacze z Armstrong Flight Research Center w Kalifornii zaprojektowali dwie wersje sondy, aby sprostać różnym potrzebom badawczym. Jedna z sond została zoptymalizowana do pomiarów bliskiego pola, czyli bezpośrednio w pobliżu miejsca generowania fal uderzeniowych. Druga natomiast będzie zbierać dane w tzw. polu środkowym, na wysokościach od 1500 do 6000 metrów poniżej samolotu.
Kiedy samolot osiąga prędkość naddźwiękową, generuje fale uderzeniowe, które przemieszczają się przez otaczające powietrze, wywołując charakterystyczne głośne „bumy”. Jednak inżynierowie NASA zaprojektowali X-59 w taki sposób, aby te fale były rozpraszane, co znacznie zmniejsza ich intensywność i prowadzi do powstania jedynie cichych „uderzeń dźwiękowych”. Podczas testów, samolot F-15B z zainstalowaną sondą badawczą na swoim dziobie będzie towarzyszył X-59 w locie. Sonda, mająca długość około 1,8 metra, będzie zbierać tysiące próbek danych na sekundę. Dzięki temu będzie można precyzyjnie zmierzyć wszelkie zmiany ciśnienia powietrza podczas przechodzenia przez fale uderzeniowe. Te nieocenione dane pozwolą na weryfikację modeli komputerowych, które przewidują siłę i charakterystykę generowanych fal.
“Sonde można porównać do źródła prawdy, które pozwala nam konfrontować wyniki modelowanych symulacji z tym, co faktycznie dzieje się w rzeczywistości,” mówi Mike Frederick, główny badacz NASA odpowiedzialny za projekt rozwijania sondy.
W przypadku sondy do pomiaru bliskiego pola samolot F-15B będzie towarzyszyć X-59 na wysokości przelotowej wynoszącej około 18 000 metrów. Konfiguracja „podążaj za liderem” umożliwi badaczom analizowanie fal uderzeniowych w czasie rzeczywistym. Z kolei sonda zaprojektowana do pomiarów w polu środkowym, przeznaczona do osobnych misji, skupi się na zbieraniu danych w niższych partiach atmosfery, bliżej powierzchni ziemi.
Największym wyzwaniem stojącym przed zespołem badawczym była potrzeba uchwycenia drobnych zmian ciśnienia. Ponieważ fale uderzeniowe generowane przez X-59 są spodziewane jako znacznie słabsze niż w przypadku większości samolotów naddźwiękowych, czułość i precyzja sond mają kluczowe znaczenie. „Sonda posiada pięć portów ciśnieniowych – jeden na szczycie oraz cztery wokół stożka” – wyjaśnia Frederick. „Porty te rejestrują zmiany ciśnienia statycznego oraz pozwalają nam na analizę prędkości i kierunku przepływu powietrza, co dostarcza niezbędnych danych o charakterystyce fal powstających w różnych punktach przelotu.”
Przed wyruszeniem na misję z X-59, zaktualizowana wersja sondy zostanie przetestowana w serii lotów próbnych F-15B, który będzie ścigał inny F-15, symulując scenariusz z falami uderzeniowymi. W ramach tych aktualizacji zoptymalizowano projekt sondy: kluczowe urządzenia mierzące ciśnienie – transduktory – zostały przeniesione bliżej portów ciśnieniowych, skracając dystans z 3 metrów do zaledwie 13 centymetrów. Wcześniejsza konstrukcja powodowała opóźnienia w rejestracji i zniekształcenia wyników.
Jednym z wyzwań związanych z wcześniejszymi projektami była również wrażliwość na zmienność temperatury. Różnice w warunkach otoczenia prowadziły do nieścisłości w odczytach. Aby zapobiec tym problemom, zespół zaprojektował system ogrzewania, który utrzymuje stałą temperaturę transduktorów przez cały czas lotu.
“Sonda spełnia wszystkie wymagania precyzji i rozdzielczości stawiane przez misję Quesst,” podsumowuje Frederick. “Cieszymy się, że możemy dostosować istniejącą technologię do rozwiązywania całkowicie nowych wyzwań”.
