Najnowszy eksperyment został przeprowadzony w Transonic Dynamics Tunnel w Langley Research Center. NASA pokryła model Benchmark Supercritical Wing specjalną farbą uPSP, czyli Unsteady Pressure-Sensitive Paint, oświetliła go światłem ultrafioletowym i zaczęła rejestrować jego powierzchnię szybkimi kamerami. Efekt? Na pozór osobliwy i dziwny, bo skrzydło świeci na różowo-fioletowo. Jednak znacznie ciekawsze jest to, co ukrywa się w zmianach jasności tego światła.
NASA pomalowała skrzydło, aby zebrać dane z każdego fragmentu
Farba zawiera związki luminescencyjne reagujące na obecność tlenu. Po wzbudzeniu światłem zaczynają emitować własne promieniowanie, ale cząsteczki tlenu częściowo ten proces wygaszają. Im wyższe lokalne ciśnienie powietrza, tym więcej tlenu oddziałuje z powłoką i tym słabiej ona świeci. Kamera widzi więc nie tylko ładny kolor, ale ogromną mapę różnic ciśnienia rozłożonych po powierzchni skrzydła. Właśnie tutaj zaczyna się dla mnie najciekawsza część całej historii.
Czytaj też: Duży samolot przestaje być potrzebny na części dalekich tras
Klasycznie można nawiercić model i doprowadzić do jego powierzchni dziesiątki czy setki punktów pomiarowych. Każdy dostarcza jednak informacji tylko z jednego miejsca, a wartości pomiędzy nimi trzeba później odtwarzać za pomocą modeli matematycznych. Przy farbie sytuacja zostaje niejako odwrócona – pomiar obejmuje całą widoczną powierzchnię, a każdy piksel zarejestrowany przez kamerę może pełnić rolę optycznego punktu pomiarowego.
Innymi słowy, takie podejście sprawia, że nie trzeba montować miliona czujników na skrzydle. Zamiast tego można sprawić, że skrzydło zachowuje się tak, jakby miało ich całe miliony.
Zwykła farba ciśnieniowa to za mało. NASA chce widzieć drgania w czasie
Sama technika PSP nie jest nowa. NASA rozwija ją od dekad i wykorzystywała chociażby przy modelach rakiet Space Launch System. Znacznie ciekawsza jest więc tutaj literka “u” dodana przed PSP, bo Unsteady PSP została opracowana do śledzenia szybko zmieniającego się ciśnienia. Jest to o tyle ważne, że skrzydło samolotu nie pracuje przecież w idealnie nieruchomym strumieniu powietrza. Pojawiają się turbulencje, fale uderzeniowe, drgania i zjawiska aeroelastyczne, w których przepływ powietrza zaczyna oddziaływać z odkształcającą się konstrukcją.
Czytaj też: Niewidzialne samoloty wojskowe nadchodzą? Radar i termowizja mają nowy problem
NASA twierdzi, że rozwój kamer, komputerów i samej farby przyspieszył pozyskiwanie takich danych nawet 10000 razy przy jednoczesnym około 1000-krotnym wzroście rozdzielczości względem wcześniejszych możliwości agencji. W części eksperymentów wyniki są dostępne już po około 20 minutach, więc inżynier może jeszcze podczas tej samej sesji w tunelu zmienić parametry testu, zamiast odkryć kilka dni później, że potrzebny był jeszcze jeden pomiar. Tak więc została skrócona cała pętla pomiędzy fizycznym eksperymentem, analizą danych i symulacją komputerową.
NASA zrobiła ważny krok, ale dopiero teraz nadejdzie najlepsze
Najnowszy eksperyment był pierwszym wykorzystaniem tej techniki na dużym, swobodnie poruszającym się modelu w środowisku o niskiej zawartości tlenu. Nie chodzi więc o pomalowanie gotowego Boeinga i zastąpienie jego czujników warstwą lakieru. Na obecnym etapie jest to przede wszystkim niezwykle potężne narzędzie laboratoryjne i dlatego następny krok robi się znacznie ciekawszy.
NASA zamierza wykorzystać rozwiązanie przy elastycznych modelach samolotów, których skrzydła mają celowo uginać się i dostosowywać podczas lotu. Jest to dokładnie kierunek, który przewija się ostatnio przez kolejne eksperymenty lotnicze. Pisałem już o ekstremalnie smukłych skrzydłach NASA i Boeinga, gdzie większa elastyczność pozwala zwiększać efektywność, ale jednocześnie potęguje ryzyko drgań i flutteru. Podobny kierunek było też widać w niemieckich badaniach nad aktywnie wyginanymi skrzydłami.
Czytaj też: Żołnierz wyciągnie samolot z plecaka i przeleci 322 km za linię wroga
W takich konstrukcjach pomiar w kilkudziesięciu wybranych punktach zaczyna zwyczajnie nie wystarczać. Skrzydło zmienia geometrię, przepływ zmienia rozkład ciśnień, a ten ponownie wpływa na skrzydło. Powstaje tym samym dynamiczny układ, który trzeba nie tylko zasymulować, ale przede wszystkim zweryfikować w rzeczywistości.
Samolot przyszłości może najpierw nauczyć się “czuć” całym skrzydłem
Czy więc NASA stworzyła inteligentną skórę dla samolotów? Niespecjalnie, bo uPSP wymaga odpowiedniego oświetlenia, kamer, kalibracji i kontrolowanych warunków pomiarowych. Trudno zresztą wyobrazić sobie pasażerskiego Airbusa świecącego na fioletowo podczas lotu. Jednocześnie takie podejście pokazuje nam potencjalnie największą zmianę na rynku samolotów. Ten sprzęt z XX wieku był przede wszystkim sztywną konstrukcją, którą należało odpowiednio ukształtować. Samolot przyszłości coraz częściej jawi się zaś jako struktura elastyczna, aktywnie kontrolowana i opisana przez potężne modele komputerowe. Żeby jednak takim skrzydłom zaufać, najpierw trzeba dokładnie zobaczyć, co robi z nimi powietrze, a NASA właśnie sprawiła, że zamiast pytać o to kilkaset czujników rozmieszczonych na modelu, może zapytać praktycznie całą jego powierzchnię.
