Hispanopedia WikiEn aeronáutica , los túneles de expansión y choque son instalaciones de prueba aerodinámica con especial interés en pruebas a altas velocidades y temperaturas. Los túneles de choque utilizan una expansión de tobera de flujo constante, mientras que los túneles de expansión utilizan una expansión no constante con mayor entalpía o energía térmica. En ambos casos, los gases se comprimen y calientan hasta que se liberan, expandiéndose rápidamente a lo largo de la cámara de expansión. Los túneles alcanzan velocidades de Mach 3 a Mach 30 para crear condiciones de prueba que simulan el vuelo hipersónico y el de reentrada . Estos túneles son utilizados por agencias militares y gubernamentales para probar vehículos hipersónicos que experimentan diversos fenómenos naturales que ocurren durante el vuelo hipersónico. [ 1 ]
Proceso de expansión
Túnel de expansión
Los túneles de expansión utilizan un sistema de doble diafragma donde los diafragmas actúan como discos de ruptura o alivio de presión. El túnel se divide en tres secciones: de impulsión, impulsada y de aceleración. La sección de impulsión se llena con gas helio a alta presión. La sección impulsada se llena con un gas de prueba deseado a menor presión, como dióxido de carbono, helio, nitrógeno u oxígeno. La sección de aceleración se llena con un gas de prueba a una presión aún menor. Cada sección está dividida por un diafragma, que se rompe secuencialmente, provocando la ruptura del primer diafragma, mezclando y expandiendo la impulsión y la impulsada. Cuando la onda de choque impacta el segundo diafragma, este se rompe, provocando que los dos gases se mezclen con la aceleración y se expandan a lo largo de la sección de prueba cerrada. El tiempo de operación es de aproximadamente 250 microsegundos. [ 2 ]
túnel de choque
Los túneles de choque reflejado calientan y presurizan un gas estancado mediante ondas de choque que se redirigen hacia el centro; esto excita los gases y produce movimiento, calor y presión. Posteriormente, los gases se liberan y expanden a través de la boquilla hacia la cámara de prueba. El tiempo de operación es de aproximadamente 20 milisegundos. [ 3 ]
Pruebas
Durante el proceso de expansión, se realizan diversas pruebas para analizar las propiedades aerodinámicas y térmicas del vehículo de prueba.
- Fricción de la piel
- La resistencia que se crea cuando un objeto se desplaza a través de un fluido, como un líquido o un gas.
- Química de flujo
- El análisis de las reacciones que tienen lugar durante un flujo continuo
- Durabilidad
- La capacidad de resistir el deterioro
- Turbulencia
- El movimiento desordenado de los fluidos
- Transferencia de calor
- La transferencia de energía térmica de un sistema a otro.
- Aeroelástico
- Las fuerzas creadas por el movimiento del aire y la forma en que el aire se curva alrededor del objeto.
- Protección térmica
- La capacidad de soportar la transferencia de calor, reduciendo la temperatura.
- Vibración
- La oscilación, o vibración, de las moléculas
Instrumentos de prueba
- Medidor de transferencia de calor de película delgada
- Cuando se calienta el medidor, la resistencia cambia; esto provoca un cambio en el voltaje, que se utiliza para calcular la cantidad de calor transferido a un objeto.
- transductor de presión piezoeléctrico
- Bajo presión, los cristales se cargaron eléctricamente, en proporción a la presión ejercida.
- espectrógrafo de diodo láser
- Mide las propiedades de la luz refractada, generada por el láser que viaja a través del gas turbulento alrededor de un objeto.
- Equilibrio fuerza-momento
- Se utiliza para medir tres o seis componentes: tres fuerzas (sustentación, arrastre y lateral) y tres momentos (cabeceo, balanceo y guiñada), para describir completamente las condiciones del modelo. Las fuerzas que actúan sobre el modelo se detectan mediante galgas extensométricas ubicadas en la balanza. Cada galga mide una fuerza mediante el estiramiento de un elemento eléctrico o una lámina en su interior. Este estiramiento modifica la resistencia de la galga, lo que a su vez modifica la corriente eléctrica medida a través de ella, según la ley de Ohm. Este cambio de resistencia, que generalmente se mide con un puente de Wheatstone, se relaciona con la deformación mediante un parámetro conocido como factor de galga.
Instalaciones
Tubo de expansión hipervelocidad (HET)
El HET es uno de los túneles de choque del grupo de Hipersónica de Caltech en el Instituto Tecnológico de California, dirigido por la profesora Joanna Austin. Funciona de manera similar a un tubo de choque, donde una onda de choque formada por el diafragma primario calienta el gas de prueba. La novedad de esta instalación radica en que el gas de prueba se acelera aún más mediante una onda de choque de expansión que se forma cuando la onda de choque primaria interactúa con un segundo diafragma situado aguas abajo. Se trata de una instalación con un diámetro interno de 150 mm, capaz de alcanzar Mach 4-8, y fue construida en 2005. [ 4 ]
HYPULSE
La Instalación de Pulso Hipersónico (HYPULSE) es operada por la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana, en el campus de los Laboratorios Maurice J. Zucrow de Purdue. Anteriormente, HYPULSE era operada como HYPULSE de la NASA por el Laboratorio General de Ciencias Aplicadas (GASL) en Nueva York, antes de ser donada a Purdue en 2020 por Northrop Grumman . La instalación HYPULSE fue desarrollada para probar vehículos de reentrada y motores de respiración atmosférica. Las especificaciones de HYPULSE incluyen un diámetro de 7 pies y una longitud de 19 pies. Esta instalación fue mejorada para tener dos modos: Túnel de Choque Reflejado (RST) y Túnel de Choque-Expansión (SET). HYPULSE-RST genera velocidades de Mach 5 a 10, mientras que HYPULSE-SET produce velocidades de Mach 12 a 25. [ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]
- Vehículos probados en HYPULSE:
- X-34
- X-43
- Sistema de protección térmica (TPS) del transbordador espacial
- Modelo de estatorreactor HYPLUSE (HSM)
LENTE-I, II
Los túneles de choque nacionales de gran energía (LENS) se construyeron durante los últimos 15 años en el Centro de Evaluación Aerotérmica/Aeroóptica (AAEC) en CUBRC. Las instalaciones LENS se desarrollaron para probar cabezales buscadores de misiles avanzados y motores scramjet. LENS I y LENS II tienen sistemas de control, compresión y adquisición de datos similares. La instalación LENS I tiene un tubo impulsor de 11 pulgadas de diámetro por 25,5 pies de largo que se calienta eléctricamente con una sección impulsada de 8 pulgadas por 60 pies capaz de alcanzar Mach 7 a 18. Los modelos de prueba pueden tener una longitud máxima de 12 pies y un diámetro de 3 pies. LENS I calienta el gas impulsor a 750 grados Fahrenheit para operar a un máximo de 30 000 psi. La instalación LENS II integra un diámetro de 24 pulgadas tanto en el tubo impulsor de 60 pies como en el tubo impulsado de 100 pies, que funciona entre Mach 3 y 9. [ 7 ]
- Vehículos probados en LENS-I:
- HyFly
- X-34
- Modelo de orbitador
- Avión Aeroespacial Nacional (NASP)
- Vehículos probados en LENS-II:
- HyFly
- BLK IVA
- X-43
- ARRRMD
- HyCause
- RRSS
LENTE-X
LENS-X es un túnel de expansión de 8 pies de diámetro por 100 pies de largo con una velocidad máxima de Mach 30. La cámara de impulsión, llena de gas helio o hidrógeno, se comprime a 3000 psi a 1000 grados Fahrenheit; esto rompe el primer diafragma, lo que provoca que la cámara impulsada experimente una afluencia de gas caliente, generando presiones superiores a 20 000 psi antes de que se rompa el segundo diafragma. [ 8 ]
- Vehículos probados en LENS-X:
- Orión
- Halcón de DARPA
Túnel de choque de alta entalpía (HIEST)
Se encuentra en el centro de investigación espacial de Kakuda de la JAXA (Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial). En este túnel se pueden simular simultáneamente alta presión y alta temperatura. Sus principales aplicaciones incluyen pruebas aerodinámicas y aerotermodinámicas en modelos a escala de naves espaciales retornables, y pruebas de procesos de combustión en motores scramjet. El HYFLEX (Experimento de Vuelo Hipersónico), un prototipo de vehículo demostrador de reentrada de la JAXA, fue probado en estas instalaciones. Otra característica especial de este túnel es que permite el uso de tres pistones de diferentes masas. [ 9 ]
Túnel de choque T4
Se encuentra en la Universidad de Queensland , Australia. Es un gran túnel de choque de pistón libre capaz de producir velocidades de flujo suborbitales en un rango de números de Mach. El túnel de choque T4 comenzó a operar en abril de 1987 y, tras un período de puesta en marcha, inició su operación rutinaria en septiembre de 1987. El disparo número 10 000 del T4 se realizó en agosto de 2008. La Universidad de Queensland también mantiene las instalaciones X2, X3 y X3R. Actualmente, X3R supera en rendimiento a la instalación T4. [ 10 ]
Instalación de túnel de choque de hipervelocidad T5
Se trata de un túnel de choque de pistón libre ubicado en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), EE. UU. Es el túnel de choque de pistón libre más grande del mundo en una universidad. Es una instalación de impulso capaz de alcanzar entalpías de estancamiento muy elevadas (25 MJ/kg) y presiones (40 MPa). El tiempo de prueba es del orden de 1 ms. Utiliza helio y argón como gas impulsor y una placa de acero de 0,25" como diafragma principal. Los gases de prueba incluyen aire, nitrógeno, dióxido de carbono o mezclas de estos. El pistón de 120 kg puede alcanzar velocidades máximas superiores a 300 m/s. [ 11 ]
Referencias
- ↑ Stalker RJ, "Desarrollos modernos en túneles de viento hipersónicos", The Aeronautical Journal, enero de 2006
- ↑ Hollis, Brian R.; Perkins, John N., “Mediciones de transferencia de calor a hipervelocidad en un tubo de expansión”, AIAA Paper 96-2240 (Nueva Orleans, LA: 19.ª Conferencia AIAA sobre tecnología avanzada de medición y pruebas en tierra, 1996)
- 1 2 Bakos, RJ; Tsai, C.-Y.; Rogers, RC; Shih, AT,"El componente Mach 10 del programa de pruebas terrestres Hyper-X de la NASA," Centro de Investigación Langley (1999)
- ↑ Dufrene, A.; Sharma, M.; Austin, JM (2007). "Diseño y caracterización de una instalación de tubo de expansión hipervelocidad" . Journal of Propulsion and Power . 23 (6). AIAA: 1185–1193 . doi : 10.2514/1.30349 . Consultado el 1 de junio de 2015 .
- ↑ "El programa hipersónico de Purdue recibe un impulso gracias a la donación del túnel de choque de Northrop Grumman" .
- ↑ Tamagno, Jose; Bakos, Robert; Pulsonetti, Maria; Erdos, John, “Hypervelocity Real Gas Capabilities of GASL's Expansion Tube (HYPULSE) Facility,” AIAA Paper 90-1390(Seattle, WA: AIAA 16th Aerodynamic Ground Testing Conference, 1990)
- ↑ TP Wadhams, MS Holden, MG MacLean,"Estudios experimentales del orbitador del transbordador espacial para adquirir datos para la validación del código y del modelo de calentamiento de vuelo," AIAA 2010-1576(Orlando, Fl:48.ª Reunión y Exposición de Ciencias Aeroespaciales de la AIAA 2010)
- ↑ Bland, Eric, "El túnel de viento más rápido pondrá a prueba a Orion de la NASA,"Discovery News. "El túnel de viento más rápido pondrá a prueba a Orion de la NASA: Discovery News" . Archivado del original el 28 de junio de 2011. Consultado el 6 de febrero de 2011 .
- ↑ "Centro Espacial Kakuda -Instalaciones de prueba-" . Consultado el 1 de abril de 2012 .
{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace ) - ↑ "Hipersónica - Escuela de Ingeniería Mecánica y Minera - Universidad de Queensland" .
- ↑ "Joanna M. Austin | Hipersónica" .
- Aerodinámica