Dies ist ein tatsächliches Foto der Stoßwellen von Überschalljets, die miteinander interagieren
Nach mehr als 10 Jahren harter Arbeit hat die NASA einen weiteren Meilenstein erreicht. Wir sind daran gewöhnt, dass die NASA Meilensteine erreicht, aber dieser ist ein bisschen anders. Hier dreht sich alles um eine Art von Fotografie, die Bilder des Flusses von Flüssigkeiten einfängt.
Es heißt Schlierenfotografie und Schlieren ist deutsch für „Streifen“. Es wurde erstmals 1864 von einem deutschen Physiker namens . entwickelt August Töpler Überschallbewegung zu studieren. Jetzt verwendet die NASA es, um zu sehen, was passiert, wenn Düsenflugzeuge die Schallmauer durchbrechen, um den damit einhergehenden Überschallknall zu eliminieren. Und die Bilder, die sie bekommen, sind ziemlich cool.
– Physikalischer Wissenschaftler J.T. Heineck von Ames Research der NASA.
'Wir hätten uns nie träumen lassen, dass es so klar, so schön sein würde.'
Es gibt jedoch mehr als nur Augenschmaus. All dies ist Teil der Bemühungen, leisere Überschallflugzeuge zu entwickeln. Im Moment gibt es strenge Regeln für das Fliegen von Überschallflugzeugen über Land, weil der Lärm so laut ist. Aber wenn das Lärmproblem gelöst werden kann, wird es schnellere Flugreisen ermöglichen.
Diese Schlierenbilder wurden von einem anderen Flugzeug aufgenommen, als es die beiden T-38-Jets von der Edwards Air Force Base aus beobachtete. Das Flugzeug mit der Kamera ist ein B-200, und alles ist Teil des AirBOS-Programms (Air-to-Air Background Oriented Schlieren) der NASA. AirBOS selbst ist Teil der NASA Kommerzielles Überschalltechnologieprojekt.
Diese neuesten Bilder stammen von einem verbesserten Schlieren-Bildgebungssystem, das Stoßwellenbilder in höherer Qualität als je zuvor aufnehmen kann. Ein Überschallknall entsteht, wenn Stoßwellen aus verschiedenen Teilen des Flugzeugs zusammenfließen und durch die Atmosphäre wandern. Detaillierte Bilder wie diese werden die Erforschung des Überschall-Boom-Phänomens voranbringen.
Mehr Shockwave Eye Candy vom Schlieren-Bildgebungssystem der NASA. Eine „Messerschneide“-Aufnahme eines T-38 im Überschallflug. Bildquelle: NASA
„Wir hätten uns nie träumen lassen, dass es so klar, so schön sein würde. Ich bin begeistert, wie diese Bilder geworden sind“, sagte J.T. Heineck, Physikalischer Wissenschaftler am Ames Research Center der NASA. „Mit diesem verbesserten System haben wir sowohl die Geschwindigkeit als auch die Qualität unserer Bilder aus früheren Forschungen um eine Größenordnung verbessert.“
Die Daten dieser Schlierenbilder werden verwendet, um ein Testflugzeug zu entwerfen. Das Flugzeug, genannt X-59 Leise Überschalltechnologie X-Plane , wird ein 94 Fuß langes und 29,5 Fuß breites einstrahliges Flugzeug sein. Die X-59 ist ein Teil dessen, was die NASA das nennt Low-Boom-Flugvorführung (LBFD.) Das geplante Fertigstellungsdatum ist irgendwann im Jahr 2021. (Beeilen Sie sich besser, NASA.)
Eine Abbildung des X-59 Low-Boom Flight Demonstration (LBFD)-Fahrzeugs. Bildquelle: NASA.
Die beiden T-38 fliegen in einer engen Formation mit Überschallgeschwindigkeit. Das führende Flugzeug ist dem nachlaufenden Flugzeug etwa 30 Fuß voraus, und sie sind um etwa 10 Fuß vertikal versetzt. Das ist für hochqualifizierte USAF-Piloten keine große Sache, aber es gab einen zusätzlichen Knick. Die B-200 befand sich in etwa 30.000 Fuß Höhe, die T-38 in einer Tiefe von 2.000 Fuß, näher als das vorherige Bildgebungssystem es erlaubte. Und die T-38 mussten Überschallgeschwindigkeiten genau in dem Moment erreichen, in dem sie unter der B-200 und ihrem Schlierenbildsystem durchflogen.
Eine der größten Herausforderungen der Flugserie war das Timing. Um dieses ursprünglich monochromatische Bild zu erhalten, das hier als koloriertes zusammengesetztes Bild gezeigt wird, flog die NASA eine B-200, die mit einem aktualisierten Bildgebungssystem ausgestattet war, in etwa 30.000 Fuß Höhe, während die beiden T-38 nicht nur in der Luft bleiben mussten Formation, sondern um genau in dem Moment mit Überschallgeschwindigkeit zu fliegen, in dem sie sich direkt unter der B-200 befanden. Die Bilder wurden aufgenommen, weil alle drei Flugzeuge genau zur richtigen Zeit am richtigen Ort waren, die vom Operationsteam der NASA festgelegt wurde.
Credits: NASA-Foto
– Heather Maliska, AirBOS-Teilprojektleiterin.
„Die größte Herausforderung bestand darin, das richtige Timing zu finden, um sicherzustellen, dass wir diese Bilder erhalten.“ Heather Maliska, AirBOS-Teilprojektleiterin.
„Die größte Herausforderung bestand darin, das richtige Timing zu finden, um sicherzustellen, dass wir diese Bilder erhalten“, sagte Heather Maliska, AirBOS-Unterprojektleiterin. Die Kameras können nur etwa drei Sekunden lang aufnehmen, und dieses kurze Aufnahmefenster musste mit den genauen drei Sekunden übereinstimmen, in denen sich die T-38 unter der B-200 befanden. „Ich bin absolut zufrieden damit, wie das Team das hinbekommen hat. Unser Operations-Team hat diese Art von Manöver schon einmal gemacht. Sie wissen, wie man das Manöver in eine Reihe bringt, und unsere NASA-Piloten und die Piloten der Air Force haben großartige Arbeit geleistet und waren dort, wo sie sein mussten.“
„Interessant ist, wenn man sich den hinteren T-38 anschaut, sieht man, wie diese Stoßdämpfer in einer Kurve interagieren“, sagte er. „Das liegt daran, dass der hintere T-38 im Kielwasser des führenden Flugzeugs fliegt, sodass die Stoßdämpfer anders geformt werden. Diese Daten werden uns wirklich helfen, unser Verständnis der Interaktion dieser Schocks zu verbessern.“
Eine noch nie dagewesene Detailgenauigkeit
„Wir sehen hier ein Maß an physikalischen Details, das meiner Meinung nach noch niemand zuvor gesehen hat“, sagte Dan Banks, leitender Forschungsingenieur bei NASA Armstrong. „Wenn ich mir die Daten zum ersten Mal anschaue, denke ich, dass es besser geklappt hat, als wir es uns vorgestellt hatten. Das ist ein sehr großer Schritt.“
Das neue Schlieren-Imaging-System hat einige Upgrades gegenüber früheren Versionen. Es hat ein Weitwinkelobjektiv als frühere Systeme, was eine genauere Positionierung des Flugzeugs ermöglicht. Es hat auch eine schnellere Bildrate. Bei 1400 Bildern pro Sekunde ist es viel einfacher, die Details der Schallwellen zu sehen. Es hat auch schnellere Datenspeichersysteme, die mit seiner erhöhten Bildrate einhergehen.
Ein älteres Bild des vorherigen Bildgebungssystems zeigt einen einzelnen T-38 im sogenannten „Transson-Flug“, dem genauen Moment, in dem das Flugzeug vom Unterschall- zum Überschallflug übergeht. Bildquelle: NASA
Der B200 erhielt auch einige Upgrades mit dem neuen Imaging-System. Avionics-Ingenieure haben ein neues Installationssystem für die Kamera entwickelt, um die Montage einfacher und schneller zu machen.
„Bei früheren Iterationen von AirBOS dauerte es bis zu einer Woche oder länger, um das Kamerasystem in das Flugzeug zu integrieren und zum Laufen zu bringen. Diesmal konnten wir es innerhalb eines Tages einbauen und funktionieren“, sagte Tiffany Titus, Flugbetriebsingenieurin. „Das ist die Zeit, die das Forschungsteam nutzen kann, um loszufliegen und diese Daten zu erhalten.“
Die T-38 und das Schlieren-Bildgebungssystem sind nur ein Teil des NASA Supersonic Commercial Technology Project. In der Abbildung oben führt ein NASA-Testpilot ein leises Überschall-Tauchmanöver vor der Küste von Galveston, Texas, durch, um eine leisere Version des Überschallknalls zu erstellen, um Feedback-Daten von rekrutierten Community-Umfragen zu erhalten. Der Testpilot klettert auf etwa 50.000 Fuß, gefolgt von einem Überschalltauchgang. Dadurch werden Überschall-Boom-Stoßwellen so erzeugt, dass sie in einem bestimmten Bereich leiser sind. In der Zwischenzeit gleichen NASA-Forscher das Feedback der Community mit den Geräuschpegeln der Flüge ab, indem sie eine elektronische Vermessung und Mikrofonmonitorstationen am Boden verwenden. Dies bereitet die NASA auf Community-Response-Modelle für das zukünftige X-59 QueSST vor.
Die NASA arbeitet seit geraumer Zeit an leisem Überschallflug und hat verschiedene Methoden verwendet, um dies zu untersuchen. Wie bei allen Flugzeugkonstruktionen wurden Windkanäle verwendet, aber die NASA hat einen anderen Weg gefunden. Vor etwa drei Jahren nutzten sie die Sonne als Kulisse, um die Schallwellen von Überschalljets abzubilden. Sehen Sie sich das Video unten von CNN an.
Das Commercial Supersonic Technology Project konzentriert sich nicht nur auf die Reduzierung des Geräuschs von Überschallknallen. Es betrachtet auch Kraftstoffeffizienz, Emissionen sowie strukturelles Gewicht und Flexibilität, die alle Hindernisse für einen besseren Flugverkehr darstellen. Die gesammelten Daten werden an Regulierungsbehörden in den USA und weltweit weitergegeben.