Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Evoluție supersonică

22 Noiembrie 2018



La 40 de ani după ce a fost pusă în funcțiune, Sufleria Trisonică a Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare Aerospațială „Elie Carafoli” (INCAS) a trecut printr-un proces de modernizare care creează premisele dezvoltării viitoarei generații de vehicule spațiale.

Ca instalație de interes național unică în România, Sufleria Trisonică a INCAS joacă un rol semnificativ în cadrul unei infrastructuri avansate de cercetare care confirmă statutul strategic al științelor aerospațiale în țara noastră. Oportunitățile apărute în urma punerii în funcțiune a tunelului trisonic în 1978 au fost fructificate de-a lungul timpului în peste 150 de programe de testare care au acumulat mai bine de 10.000 de teste, atât pentru beneficiari din România, cât și din străinătate, iar succesul instalației se bazează deopotrivă pe calitățile și nivelul înalt de performanță al echipamentelor, dar și pe experiența vastă a echipei INCAS, care include specialiști recunoscuți ca experți în domeniul lor de activitate.
Împreună cu testele puse în practică în Tubul Ludwieg, Sufleria Trisonică a INCAS asigură o gamă amplă de activități de experimentare pentru aerodinamică și mecanica fluidelor în regim subsonic (sub pragul Mach 0,75), transonic (între Mach 0,7 și 1,4) și supersonic (de la Mach 1,4 la 3,5). Pentru regimul transonic este utilizată o cameră de test cu pereți perforați (unghi de înclinație a perforațiilor de 60°) și porozitate variabilă, care se integrează cu ușurință pe circuitul tunelului (anvergura maximă a camerelor de experiențe este de 1,2 m x 1,2 m).
Destinată în principal dezvoltării de aeronave cu aplicații civile și militare, sarcină îndeplinită cu succes pentru toate proiectele aeronautice românești din ultimele patru decenii, Sufleria Trisonică a implementat de asemenea teste de bază pentru aerodinamica unor vehicule terestre (camioane și garnituri feroviare) și a derulat chiar teste specifice pentru instalații nucleare. Apoi, în afară de măsurătorile uzuale de forțe, momente și distribuții de presiuni, în tunelul aerodinamic au fost realizate încercări speciale, de la teste legate de utilizarea controlului curgerii cu jeturi pentru reducerea rezistenței la înaintare a ogivelor sau pentru controlul portanței, până la testarea deschiderii parașutelor, studii pentru curgerea conică și evaluarea platformelor aeriene fără pilot uman (drone).
Una dintre cele mai recente evoluții ale instalațiilor Sufleriei Trisonice pornește de la experiența acumulată de specialiștii INCAS în domeniul cercetării spațiale prin contribuțiile înregistrate în proiecte naționale și internaționale, cum au fost testele de verificare pentru modele destinate zborului suborbital (în parteneriat cu Centrul European pentru Cercetare și Tehnologie Spațială operat de Agenția Spațială Europeană) și pentru microlansatorul dezvoltat în cadrul Programului de Cercetare-Dezvoltare-Inovare pentru Tehnologie Spațiala și Cercetare Avansată (STAR), susținut de Agenția Spațială Română. Astfel, Sufleria Trisonică este capabilă acum să genereze și să analizeze simulări avansate ale gazelor de evacuare fierbinți generate de sistemul de propulsie al rachetelor spațiale, o zonă aparte de interes din perspectiva optimizării rezistenței la înaintare a lansatoarelor și vehiculelor spațiale.



Analiză detaliată
Performanțele aerodinamice ale vehiculelor spațiale în timpul zborului atmosferic sunt condiționate de rezistența totală la înaintare, la rândul său determinată semnificativ de rezistența la înaintare a secțiunii posterioare. Curgerea la baza rachetei este influențată de mecanisme fizice și chimice complexe care se manifestă preponderent în gama vitezelor transonice și care solicită analize specifice: testele de zbor cu profiluri geometrice de referință au relevat că rezistența la înaintare a bazei astronavelor poate reprezenta până la 35% din valoarea totală a acestui indicator. Mai mult, separarea curgerii de fusta posterioară a corpului zburător poate avea un impact notabil asupra proiectilelor și a secțiunilor posterioare ale rachetelor. De exemplu, până la jumătate din rezistența totală la înaintare a unei rachete balistice cu motorul oprit poate fi atribuită bazei proiectilului.
Analiza CFD (Computational Fluid Dynamics – Dinamica computerizată a fluidelor) întreprinsă de INCAS pe o configurație de test a evidențiat că modificarea chiar și într-o mică măsură a zonei de bază sau a injecției de gaze joacă un rol esențial în performanța dinamică, în special la viteze transonice. La aceste aspecte se adaugă un element la fel de important rezultat în urma datelor culese în cadrul programelor aeronautice dedicate supersonicelor cu motor reactiv și pe baza măsurătorilor publicate despre lansatoarele spațiale (Ariane 5, de exemplu): procedura de laborator care utilizează în testare un jet rece pentru simularea zborului la viteze transonice spre supersonice tinde să subestimeze presiunea la baza corpului, rezultând o valoare disproporționată a rezistenței la înaintare. Această abordare nu ține cont, de fapt, de influența temperaturii jetului de gaze asupra zonei de curgere de la bază, ceea ce duce și la o evaluare neconformă a sarcinilor termice și dinamice exercitate la nivelul ajutajului reactiv.

Infrastructură de elită
Pentru a răspunde adecvat necesității de a reproduce cât mai fidel condițiile aerodinamice care stau la baza dezvoltării unor lansatoare și vehicule spațiale în configurații eficiente, INCAS a implementat recent o serie de modernizări capabile să optimizeze capabilitățile de testare ale Sufleriei Trisonice. Simularea avansată a jetului fierbinte de gaze emis de sistemul de propulsie al rachetelor spațiale asigură o mai bună cunoaștere a interacțiunilor de curgere și conduce la o evaluare mai precisă a eficienței aerodinamice.
Pornind de la sistemul de simulare cu jet rece furnizat de un rezervor de 2 metri cubi presurizat la 150 atmosfere, INCAS a conceput un simulator de motor de rachetă care profită de tipologia tunelului aerodinamic pentru a efectua teste la temperaturi înalte în regim transonic pentru o durată de până la 90 de secunde. Totul pornește de la conceptul motoarelor de rachetă care funcționează cu peroxid de hidrogen (denumit și perhidrol sau apă oxigenată), generând printr-o reacție exotermică intensă un jet de abur fierbinte controlat cu ajutorul unui ajutaj convergent-divergent (ajutaj „de Laval”). Cu ajutorul unui catalizator, peroxidul de hidrogen se descompune în oxigen și abur extrem de fierbinte într-o proporție care echivalează pentru fiecare volum de lichid injectat în catalizator un volum de 5.000 de ori mai mare de substanță gazoasă direcționată prin ajutaj.
A fost creată astfel o facilitate dedicată de testare care simulează un motor termic în condiții controlate, beneficiind de investiția INCAS într-un sistem auxiliar de alimentare cu peroxid de hidrogen, având un debit maxim de 1,5 kg/s și o presiune de până la 20 bari (volum total de 2 metri cubi). Configurația sistemului are în vedere pragul de operare optimă până la care cantitatea de apă din fluxul de aer ar putea atinge limitele de funcționare ale tunelului aerodinamic.
Evaluările inițiale de performanță au dat naștere unui model de referință care a permis instalarea unei balanțe aerodinamice de tip Task cu diametru de 50 mm, concomitent cu asigurarea unui flux optim pentru camera de testare, garantând gama completă de numere Mach și Reynolds simulate în tunel.



Atuul competitivității
Modernizările aduse Sufleriei Trisonice îndeplinesc necesitățile de testare pentru lansatoarele spațiale, conformându-se pe deplin cerințelor tehnice ale Agenției Spațiale Europene (ESA) pentru acest tip de vehicul. Dincolo de operarea în regimurile transonice și supersonice specifice și de atingerea numerelor Reynolds proprii curgerii pentru un lansator spațial, noile facilități ale tunelului aerodinamic INCAS asigură caracteristici similare între jetul fierbinte de test și cel real în zbor, simulând condițiile tipice gazelor de evacuare și fluxurilor de aer. De asemenea, geometria secțiunii posterioare poate fi reprodusă la o scară relevantă pentru acuratețea testului.
Din perspectiva modelului de referință și a instrumentarului utilizat în cadrul testelor efectuate în Sufleria Trisonică, specialiștii INCAS dispun de logistica de laborator cu care pot măsura precis rezistența la înaintare în simulările cu jeturi fierbinți, presiunea statică și dinamică la nivelul bazei corpului, pot monitoriza îndeaproape parametrii esențiali ai propulsorului, precum temperatura de operare și debitul motorului, pot analiza detaliat presiunile exercitate la suprafața vehiculului.
Cu această modernizare a Sufleriei Trisonice, INCAS își extinde capabilitățile de cercetare-dezvoltare în domeniul spațial, confirmând realizările programelor de testare aerodinamică derulate în ultimii ani, cum au fost experimentele din proiectul Space Rider, promovat de ESA ca sistem de transport spațial accesibil, independent și reutilizabil, alături de studiul de determinare a proprietăților aerodinamice în regim staționar și dinamic a capsulelor de reintrare dezvoltate în cadrul proiectului ESA Demise Observation Capsule. Ca instituție membră a organismelor internaționale de profil - European Wind Tunnel Association, care reprezintă operatorii europeni de tunele aerodinamice; Supersonic Tunnel Association International, organizația dedicată tunelelor aerodinamice supersonice din întreaga lume – INCAS are acum competențe sporite și capabilitățile necesare pentru se implica la costuri competitive în programe campanii de testare avansată și de dezvoltare a unor programe spațiale complexe, de la motorizări hibride până la concepte orbitale de avangardă.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite