Primeras imágenes de la interacción de ondas de choque de aviones supersónicos

"Nunca soñamos que se vería tan claro, tan hermoso".

El investigador de ciencias físicas J.T. Heineck, del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California, ve por primera vez un conjunto de imágenes muy esperadas y se toma un momento para reflexionar sobre más de 10 años de desarrollo de la técnica – un esfuerzo que ha llevado a un hito para la Dirección de Misiones de Investigación Aeronáutica de la NASA.

La NASA ha probado con éxito una avanzada tecnología fotográfica aire-aire en vuelo, capturando las primeras imágenes de la interacción de ondas de choque de dos aviones supersónicos en vuelo.

"Estoy extasiado sobre cómo han quedado estas imágenes", dijo Heineck. "Con este sistema actualizado, hemos mejorado por un orden de magnitud tanto la velocidad como la calidad de nuestras imágenes obtenidas en investigaciones anteriores".

Las imágenes fueron captadas durante la cuarta fase de los vuelos de Schlieren orientados en segundo plano de Air-to-Air, o AirBOS, que tuvieron lugar en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA en Edwards, California. La serie de vuelo probó con éxito la un sistema de imagen mejorado capaz de captar imágenes de alta calidad de ondas de choque, o los rápidos cambios de presión que se producen cuando un avión vuela más rápido que la velocidad del sonido, lo que se denomina velocidad supersónica. Las ondas de choque producidas por las aeronaves se fusionan a medida que viajan a través de la atmósfera y son responsables de lo que se escucha en tierra como un boom sónico.

El sistema se utilizará para capturar datos cruciales para confirmar el diseño del X-59 Quiet SuperSonic Technology X-plane de la agencia, o X-59 QueSST, que volará supersónico pero producirá ondas de choque de tal manera que, en lugar de un fuerte auge sónico, solo se oirá un ruido sordo. La capacidad de volar supersónico sin un boom sónico puede dar lugar a que un día se levanten las restricciones actuales sobre el vuelo supersónico sobre tierra.

Las imágenes muestran un par de T-38 de la Escuela de Pilotos de Pruebas de la Fuerza Aérea de los EE. UU. en la Base de la Fuerza Aérea de Edwards, volando en formación a velocidades supersónicas. Los T-38 vuelan a casi 30 pies (9 metros) de distancia el uno del otro, mientras que los aviones de remolque vuelan aproximadamente 10 pies (3 metros) por debajo del T-38 líder. Con una claridad excepcional, se ve el flujo de las ondas de choque de ambos aviones, y por primera vez, se puede ver la interacción de estos choques en vuelo.

"Estamos viendo un flujo supersónico, por eso estamos obteniendo estas ondas de choque", dijo Neal Smith, ingeniero de investigación de AerospaceComputing Inc. en el laboratorio de mecánica de fluidos del centro Ames de la NASA.

"Lo que es interesante es que si miras el T-38 trasero, ves que estos choques interactúan en una curva", dijo. “Esto se debe a que el T-38 de remolque está volando en la estela del avión líder, por lo que los choques tendrán una forma diferente. Esta información realmente nos ayudará a mejorar nuestra comprensión de cómo interactúan estos choques”.

El estudio de cómo las ondas de choque interactúan entre sí, así como con la columna de escape de un avión, ha sido un tema de interés entre los investigadores. La investigación previa de Schlieren en subescala en el túnel de viento de Ames, reveló distorsión de los choques, lo que llevó a mayores esfuerzos para ampliar esta investigación a pruebas de vuelo a gran escala.

Aunque la adquisición de estas imágenes para investigación marcó uno de los objetivos de AirBOS, uno de los objetivos principales fue probar en vuelo equipos avanzados capaces de imágenes de alta calidad de aire-aire, para tenerlos listos para el vuelo de bajo auge de X-59 Demostración, una misión que utilizará el X-59 para proporcionar a los reguladores datos estadísticamente válidos necesarios para posibles cambios en la regulación que permitan un vuelo comercial supersónico silencioso sobre tierra.

Si bien la NASA ha utilizado anteriormente la técnica de fotografía de Schlieren (un método para visualizar variaciones de densidad en medios transparentes) para estudiar las ondas de choque, los vuelos de AirBOS 4 presentaron una versión mejorada de los sistemas de Schlieren aéreos anteriores, lo que permite a los investigadores capturar tres veces la cantidad de datos en la misma cantidad de tiempo.

"Estamos viendo un nivel de detalle físico aquí que no creo que nadie haya visto antes", dijo Dan Banks, ingeniero de investigación de la NASA en Armstrong. "Con solo mirar los datos por primera vez, creo que las cosas funcionaron mejor de lo que habíamos imaginado. Este es un gran paso".

Las imágenes adicionales incluyeron un disparo "filo de cuchilla" de un T-38 aislado en vuelo supersónico, así como un avión T-34 de baja velocidad, para probar la posibilidad de visualizar los vórtices de ala y aleta de un avión utilizando el sistema AirBOS.

Las imágenes se captaron desde un avión King Air B-200 de la NASA, utilizando un sistema de cámara mejorado para aumentar la calidad de la imagen. El sistema actualizado incluía la adición de una cámara capaz de capturar datos con un campo de visión más amplio. Esta mejor percepción espacial permitió un posicionamiento más preciso de la aeronave. El sistema también incluyó una actualización de memoria para las cámaras, lo que permite a los investigadores aumentar el número de fotogramas por segundo a 1400, lo que facilita la captura de un mayor número de muestras. Finalmente, el sistema recibió una conexión mejorada a las computadoras de almacenamiento de datos, lo que permitió una tasa mucho más alta de descarga de datos. Esto también contribuyó a que el equipo pudiera capturar más datos por pase, aumentando la calidad de las imágenes.

Además de una reciente actualización de aviónica para King Air, que mejoró la capacidad de la aeronave para estar en el lugar exacto en el momento exacto, el equipo también desarrolló un nuevo sistema de instalación de las cámaras, lo que redujo drásticamente el tiempo que llevó integrarlas con la aeronave.

“Con las versiones anteriores de AirBOS, se tardó una semana o más en integrar el sistema de la cámara en el avión y ponerlo en funcionamiento. Esta vez pudimos instalarla y ponerla en funcionamiento en solo un día”, dijo Tiffany Titus, ingeniera de operaciones de vuelo. "Representa un ahorro de tiempo que el equipo de investigación puede usar para salir a volar y obtener esos datos".

Aunque el sistema de cámara actualizado y la actualización de aviónica en el B-200 mejoraron en gran medida la capacidad de conducir estos vuelos de manera más eficiente que en las series anteriores, obtener las imágenes también requirió mucha habilidad y coordinación por parte de ingenieros, controladores de misión y pilotos de tanto la NASA como la Escuela de Piloto de Pruebas de la Fuerza Aérea de Edwards.

Para capturar estas imágenes, el King Air, volando en pauta a alrededor de 30.000 pies (más de 9 kilómetros) de altura, tenía que alcanzar una posición precisa al mismo tiempo que el par de T-38 pasaba a velocidades supersónicas aproximadamente a 2.000 pies (meas de 6 kilómetros) por debajo. Mientras tanto, las cámaras, capaces de grabar durante un total de tres segundos, tuvieron que comenzar a grabar en el momento exacto en que los T-38 supersónicos entraron en la imagen.

"El mayor desafío fue tratar de obtener la sincronización correcta para asegurarnos de que pudiéramos captar estas imágenes", dijo Heather Maliska, gerente del subproyecto AirBOS. "Estoy absolutamente contenta con la manera en que el equipo pudo lograrlo. Nuestro equipo de operaciones ha realizado este tipo de maniobra antes y sabe cómo alinear la maniobra. Nuestros pilotos de la NASA y los pilotos de la Fuerza Aérea hicieron un gran trabajo al estar donde tenían que estar".

"Fueron como estrellas de rock".

Los datos de los vuelos de AirBOS continuarán siendo analizados, lo que ayudará a la NASA a refinar las técnicas de estas pruebas para mejorar aún más los datos, y los futuros vuelos podrían tener lugar a mayores altitudes. Estos esfuerzos ayudarán a avanzar en el conocimiento de las características de las ondas de choque a medida que la NASA progresa hacia vuelos silenciosos de investigación supersónica con el X-59, y hacia un hito importante en la aviación.

AirBOS se llevó a cabo como un subproyecto en el marco del proyecto de tecnología supersónica comercial de la NASA.

Puedes hallar más información (en inglés) sobre el Proyecto X-59 en:

https://www.nasa.gov/mission_pages/lowboom/index.html

Autor: Matt Kamlet, Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA

Traducción al español: Jessica Arreola, Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA