Kunnen supersonische omstandigheden op de grond worden gerepliceerd?

In a previous question the P&W J 58 engine for the SR-71 was discussed. The engine was a new and innovative design combining the characteristics of a turbojet and a ramjet.

Voordat ik zou vliegen met zo'n nieuw ontwerp, zou ik denken dat ze het zo veel mogelijk op de grond zouden willen testen om de veiligheid van de piloot en het vliegtuig te waarborgen. Anders stuur je een persoon op met dingen die moeten werken, maar tot nu toe alleen op papier. (Ik weet dat dit is waarvoor testpiloten zich hebben aangemeld, maar ze willen er niet roekeloos over zijn.)

J-58 ground test
J-58 ground test. from Wikimedia commons

Van wat ik weet, werkt een pure ramjet niet eens op nul luchtsnelheid. Wat ik me afvraag is hoeveel kan worden geleerd van grondtesten op zo'n radicaal nieuw ontwerp, of enig supersonisch ontwerp voor die kwestie? Kunnen supersonische omstandigheden op de grond worden gerepliceerd?

36
Er zijn supersonische auto's die op de grond werken. Maar ik veronderstel dat je het hebt over het testen van motoren op de grond? En de J-58 kan op de grond werken omdat hij ook subsonische bewerkingen kan uitvoeren (opstijgen, landen en bijtanken).
toegevoegd de auteur SMS von der Tann, de bron

4 antwoord

Yes, supersonic conditions can indeed be replicated on the ground for purposes of airframe and engine testing.

Arnold Engineering Development Complex (AEDC)

The U.S. Air Force and NASA both operate supersonic wind tunnels, as do Lockheed, P&W, and others. The most advanced of these facilities are probably those at Arnold Engineering Development Complex on Arnold Air Force Base. I won't mention any specific numbers from memory because they've likely changed since I worked there and I can't remember exactly which ones were classified/FOUO/otherwise-not-public, but let's just say they're pretty good.

AEDC heeft testcellen die zowel zijn ontworpen voor het testen van straalmotoren als voor het testen van schaalmodellen van airframes (of full-scale airframes als het een klein genoeg casco is, zoals een raket.) Daarnaast beschikt het over faciliteiten voor het testen van raketmotoren op het hoogste niveau. Lagere raketmotoren hebben de faciliteiten van Arnold niet nodig, omdat deze zijn ontworpen om in de atmosfeer te werken en gewoon ergens in een woestijn kunnen worden verlicht.

Volgens Wikipedia (waarvan ik denk dat het afkomstig is van openbaar beschikbare informatie), Hypervelocity Wind Tunnel 9 kan genereren van luchtstroming van Mach 14 met gesimuleerde hoogten van zeeniveau tot 173.000 ft.

AEDC Tunnel 9 with Test Article
AEDC Tunnel 9 (with test article) Source: Wikipedia

Als dat niet genoeg is, kan G-bereik projectielen afvuren met ongeveer de snelheid van een lage baan om de aarde. Dit is echter een soort van strekken van de definitie van "supersonisch", omdat het typisch naar zo'n verwaarloosbare luchtdruk wordt gepompt dat het Mach-getal niet echt wordt gedefinieerd voordat een schot met dat soort snelheid wordt gemaakt. Toch, zoals het wiki-artikel aangeeft, is het in staat tot opnames tot 1,7 atmosfeer, dus het is absoluut legitiem supersonisch voor die opnames.

AEDC G Range
AEDC Range G Source: Wikipedia

Luchtmachtbasis Holloman

In addition to wind tunnels and other facilities at AEDC, the U.S. Air Force also occasionally uses rocket sleds, such as the one at Luchtmachtbasis Holloman, which currently holds the speed record for any type of non-air/space vehicle at 6,416 mph/10,326 km/h (Mach 8.5.)

Holloman High Speed Test Track
Holloman High Speed Test Track Source: Wikipedia

Land Speed Record Rocket Sled at Holloman
Land Speed Record Rocket Sled at Holloman Source: Wikipedia

Holloman The "Speed Limit" at Luchtmachtbasis Holloman
Source: some guy's website, which got them from publically-released images from Holloman AFB

42
toegevoegd
@FreeMan Het was leuk. Het was tijdens de universiteit. Ik overwoog om daar na de universiteit een vaste baan te nemen, maar ik kreeg nog een aanbod dat beter uitpakte. Ik heb nog steeds een aantal vrienden die daar werken. Ik ben echter nog niet in Tunnel 9 geweest. Die is in Maryland. Ik werkte op de hoofdbasis in Tennessee. Ik weet zeker dat je gelijk hebt dat die boxen een aantal interessante aërodynamische effecten produceren, maar ze zijn benedenwinds van het testartikel, dus het zou niet echt veel uit moeten maken.
toegevoegd de auteur pauldoo, de bron
@FreeMan Ik zag het oorspronkelijk op een T-shirt en was aangenaam verrast toen ik merkte dat het teken er daadwerkelijk was. :) Veel succes met het overnemen van de man die het schendt. Ook veel geluk schenden.
toegevoegd de auteur pauldoo, de bron
A) Heb je daar gewerkt? Dat moest leuk zijn! B) Ik ben er zeker van dat die zilveren blokken om ongeveer 5 uur en 10 uur in de eerste foto voor een verscheidenheid aan sensoren zijn, maar ik moet me voorstellen dat hun nogal botte leading edges zouden sommige impact hebben op de luchtstroom bij Mach 14 !!! Sheesh!
toegevoegd de auteur FreeMan, de bron
Een extra +1 voor het maximumsymbool! Dang, dat werkte niet ... :(
toegevoegd de auteur FreeMan, de bron
Om eerlijk te zijn, die slee liep in een heliumbuis (oke, een paar dunne plastic zeilen om een ​​stokframe heen - het was vernietigd toen de slee erdoorheen ging - maar toch een omgeving waarin een straalmotor wat problemen zou hebben) en de hardware op het voorwiel was aan het einde van de rit bijna volledig weggeslepen. Niet echt een van je meer praktische testbedden, maar leuk om te zien.
toegevoegd de auteur venergiac, de bron
Mijn favoriete afleveringen van Mythbusters waren degene die ze gebruikten op de raketslee. Het is zo geweldig om te zien hoe iets zo snel beweegt. Vooral wanneer ze een tweede fase toevoegden. Net als je denkt dat niets zo snel kan gaan, begint de tweede fase en ... DAMN!
toegevoegd de auteur TomMcW, de bron

It is a struggle, but it can be done. For the J58, Pratt&Whitney had a test facility at West Palm Beach which would simulate conditions at speed and altitude. From this site:

J-58 Engine Testing in Afterburner at test cell A-1 at Pratt and Whitney’s West Palm Beach facility.

De afbeelding toont testcel A-1 in Pratt en Whitney's West   Palm Beach-faciliteit. [...]. Deze testcel was eigenlijk een hoogtesimulatie   cel gebruikt voor testdoeleinden. (We hadden een extra cel die voor zee werd gebruikt   niveau loopt voor motoren die ter plaatse gereviseerd werden ook.) Het gebruikte een   niet-naverbranding van J-79 als een slave-motor. De uitlaat van de slaaf was   geïntroduceerd in de inlaat van de J-58 via een reeks kleppen daardoor   het simuleren van de snelheid, temperatuur en dichtheid van de lucht bij de inlaat   normaal gezien tijdens de vlucht. In deze specifieke foto is de motor   op zeeniveau lopen zoals aangegeven door het inlaatscherm.

32
toegevoegd
@FreeMan Ik had dezelfde gedachte en ik vroeg me af of het normaal gesproken meer gekoeld zou worden door de luchtstroom als het echt in de lucht was.
toegevoegd de auteur bwarner, de bron
Dit antwoord wordt per abuis het antwoord op deze vraag .
toegevoegd de auteur FreeMan, de bron
Ook realiseerde ik me net dat het oranje gedeelte aan het einde van die motor niet lijkt te zijn verf, maar gloeiend heet metaal! Is dat door het ontwerp? Ik realiseer me dat het aan dat einde van de brander hevig heet is en dat we dat normaal gezien niet zien vanwege de gondel, maar wordt het buitenste deel van de uitlaatmond gewoonlijk dat heet?
toegevoegd de auteur FreeMan, de bron

Zoals weergegeven hier , heeft Lockheed Martin een supersonische windtunnel die windsnelheden tot mach 5 kan genereren. Een snelle zoekactie op internet onthulde een uitgebreide lijst van andere supersonische windtunnels, wat aangeeft dat dergelijke technologie tamelijk wijdverspreid is. Bovendien hebben, zoals gesuggereerd door SMSvondertann, jet- en raketgestuurde auto's zoals de Thrust SSC supersonische snelheden bereikt op land.

12
toegevoegd
@DanNeely Misschien hebben de tunnels van Lockheed die beperking, maar de tunnels van de AEDC niet. Ze kunnen (en doen) uren achtereen lopen. Ze moeten ook ongeveer elk half uur TVA bellen om hen te vertellen hoeveel elektriciteit ze van plan zijn gebruiken wanneer de cellen actief zijn. :) Anders zouden ze het lokale elektriciteitsnet letterlijk overbelasten of onderbelasten.
toegevoegd de auteur pauldoo, de bron
Een belangrijk voorbehoud is dat hoge mach-windtunnels slechts korte tijd kunnen werken (ze kunnen de lucht niet in real time versnellen en in plaats daarvan functioneren door een enorm drukgebouw te vullen en vervolgens in de tunnel te ventileren). De tunnel van LockMart heeft een score van 15-110 seconden bij mach 5.0-0.3. Het wordt nog erger bij hypersonische snelheden; windtunnels kunnen die niveaus slechts maximaal een seconde of twee raken, wat betekent dat R & D raketten moet gebruiken om fysieke hardware te versnellen om de CFD-simulaties tijdens de vlucht te verifiëren.
toegevoegd de auteur go minimal, de bron
Mijn eerste gedachte was: "maar was het open toen ze de SR71 aan het ontwikkelen waren?". Het antwoord daarop is ja - het werd geopend in 1958!
toegevoegd de auteur FreeMan, de bron

Niet helemaal op de grond, maar sommige organisaties doen nogal extreme moeite om supersonische omstandigheden te simuleren. Neem NASA en hun supersonische parachute bestemd voor Martiaanse atmosferische binnenkomst, ook bekend als de Low-Density Supersonic Decelerator. Ze hebben dit onlangs getest op een nogal verrassende rig:

-De parachute is gedropt van een helikopter
- Een 1 km stalen touw bevestigde de parachute aan een lier via een katrol
-De lier houdt het touw onder spanning ...
-... en is bevestigd aan de ster van de show - een raketslee met 4 motoren, ontworpen om de parachute te versnellen tot extreme snelheid voordat deze de grond raakt.

Deze rig is het vermelden waard, niet in de laatste plaats omdat de beschrijving een beeld schetst van een stapel lege ACME-boxen!

Zie hier voor meer informatie

8
toegevoegd
@TomMcW dat road runner geen schijn van kans maakt;)
toegevoegd de auteur hawxs, de bron
... "Huil, zacht!"
toegevoegd de auteur TomMcW, de bron