Pintura sensible a la presión

La pintura sensible a la presión (PSP, por sus siglas en inglés) es un método para medir la presión del aire o la concentración local de oxígeno, generalmente en entornos aerodinámicos. La PSP es un recubrimiento similar a la pintura que fluoresce bajo una longitud de onda de iluminación específica con intensidades variables según la presión del aire externa aplicada localmente a su superficie.

La pintura sensible a la presión se concibió inicialmente gracias a una combinación de investigación y desarrollo en los campos de la química, la visualización de flujo , la obtención de imágenes y las pruebas de diseño aerodinámico. ^{[ 1 ]} Los fenómenos de fotoluminiscencia y extinción por oxígeno se han estudiado durante muchos años. John I. Peterson y Raphael V. Fitzgerald fueron los primeros en publicar observaciones y sugerencias para aplicar materiales de extinción por oxígeno para la visualización de flujo. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

En la antigua Unión Soviética, en TsAGI/Moscú, en cooperación con la Universidad de Moscú ^{[ 4 ]} , y en Estados Unidos, el Dr. Martin Gouterman de la Universidad de Washington llevó a cabo una investigación para desarrollar diferentes combinaciones de materiales de moléculas fluorescentes que apagan el oxígeno para su uso como sensores a mediados de la década de 1980. ^{[ 5 ]}

El desarrollo de recubrimientos superficiales prácticos aplicados como pinturas para medir la presión del aire se llevó a cabo a mediados de la década de 1980 en la antigua Unión Soviética y en el Centro de Investigación Ames de la NASA en colaboración con la Universidad de Washington a finales de la década de 1980. ^{[ 2 ]}

La NASA organizó una asociación público-privada para impulsar el desarrollo de aplicaciones aerodinámicas en 1993. ^{[ 6 ]} Los principales miembros de la asociación fueron los Centros de Investigación Ames y Langley de la NASA, Boeing Commercial Aircraft Company y la Universidad de Washington. Entre los participantes de la asociación para el intercambio de información se encontraban la Universidad de Purdue y McDonnell Douglas Aircraft Company . La asociación se organizó a través del Programa Conjunto de Investigación Patrocinada de la NASA , operó de 1993 a 1996 y dio como resultado nuevas patentes, sistemas de imágenes, software analítico y formulaciones de pintura para el desarrollo futuro. ^{[ 7 ]}

La superficie del modelo se pinta con el recubrimiento PSP mediante un aerógrafo o una pistola de pintura automotriz. El PSP consiste en una sonda sensible al oxígeno suspendida en un aglutinante permeable al oxígeno. A continuación, el modelo se coloca en un horno para que la capa de PSP se cure. Una vez curada, el modelo se coloca en un túnel de viento o en un entorno de prueba adecuado. Se utilizan lámparas LED de una longitud de onda específica para excitar la sonda sensible a la presión dentro de la pintura. Una vez excitada, la sonda sensible a la presión pasa a un estado de mayor energía donde puede emitir un fotón o ser desactivada por el oxígeno presente localmente. Este proceso competitivo de emisión y desactivación determina la intensidad de la respuesta de la capa de pintura. El resultado es una fluorescencia más tenue a mayor presión y una respuesta más brillante a presiones más bajas.

La intensidad emitida por la superficie se registra mediante un filtro de paso largo con una cámara CCD o de grado científico y se almacena para su conversión a presión utilizando una calibración previamente determinada. Se registran imágenes de la capa de pintura en tres condiciones: una imagen sin viento en una condición de referencia conocida, que suele ser condiciones atmosféricas estándar con el túnel apagado; una imagen con viento en una condición de carga, donde el túnel de viento está funcionando; y, por último, una imagen de fondo donde se captura la luz ambiental presente sin la fuente de iluminación. La imagen de fondo se resta de la imagen de referencia sin viento y de la imagen con viento en el procesamiento de datos. Se pueden obtener fotografías de la superficie desde fuera de la sección de prueba del túnel de viento, lo que significa que no es necesario perturbar ni tocar el modelo para obtener la distribución de presión. Se puede utilizar fotografía asistida por ordenador para producir imágenes en falso color , donde el rango de color corresponde a las variaciones de presión. ^{[ 8 ]}

Otro ámbito de interés ha sido la medición de la presión superficial en túneles de viento de baja velocidad. Los sistemas PSP binarios se utilizan en entornos de túneles de viento de baja velocidad donde los gradientes de presión son pequeños y las fuentes de error son más significativas. El cambio de modelo entre la condición de referencia y la condición de carga, la variación en el espesor de la pintura, la inestabilidad de la lámpara y la temperatura son fuentes importantes de error en los datos PSP. El sistema PSP binario mitiga muchas de estas fuentes de error mediante el uso de una segunda sonda en la capa de pintura, conocida como sonda de referencia. Esta sonda de referencia se utiliza para compensar los efectos de estos errores, produciendo mapas de presión PSP de alta calidad a bajas velocidades. Las pinturas sensibles a la presión binarias también pueden incluir un luminóforo sensible a la temperatura para medir el coeficiente de transferencia de calor . Esto proporciona mayor precisión en las lecturas de presión. ^{[ 11 ]}

La principal ventaja de esta nueva tecnología radica en su tiempo de preparación considerablemente reducido en comparación con la instalación de una serie de tomas de presión. El mismo modelo puede utilizarse para otras pruebas, como ensayos de carga o de reflexión de radar, ya que el PSP no interfiere con otras preparaciones o configuraciones. Ofrece muchos más puntos de datos que otros métodos. Prácticamente, cada píxel cuenta con una toma de presión, en lugar de estar limitado a las tomas de presión convencionales.