NASA випробувала інструменти для вимірювання ударних хвиль X-59

Високо над пустелею Мохаве два дослідницькі винищувачі NASA F-15 протягом травня виконали серію польотів для перевірки інструментів, призначених для вимірювання та запису ударних хвиль, які створюватиме експериментальний надзвуковий літак X-59 агентства. Винищувачі F-15, оснащені записувальним обладнанням, літали швидше за швидкість звуку, відтворюючи умови, в яких очікується політ X-59. Літак X-59 є центральним елементом місії NASA Quesst, метою якої є збір даних, що можуть допомогти створити тихий комерційний надзвуковий політ над сушею.

Команда, яка стоїт за успішною серією випробувальних польотів, працює в рамках проєкту SCHAMROQ у Дослідницькому центрі польотів Армстронг NASA в Едвардсі, Каліфорнія. Там вони розробили інструменти, які вимірюватимуть та візуалізуватимуть унікальні ударні хвилі X-59, коли він літатиме зі швидкістю Мах 1,4 на висоті понад 50 000 футів. Для типового надзвукового літака такі ударні хвилі призводили б до звукового удару. Але завдяки конструкції та технологіям X-59 він створюватиме лише тихий стукіт.

Ченг Моуа, інженерний керівник проєкту SCHAMROQ, описав валідаційну кампанію польотів як випускну вправу, яка об'єднує всі компоненти в їхній остаточній конфігурації та доводить, що вони працюватимуть. NASA почало розробляти ці інструменти роки тому, починаючи з прибуття одного з двох F-15 — F-15D від Повітряних сил США, тактичного літака, доставленого без дослідницького обладнання.

Він прибув як колишня бойова машина без дослідницької системи приладів — без телеметрії, без HD-відео, без запису даних, розповів Ченг. Тепер це повністю оснащена дослідницька платформа. Команда використала обидва F-15 для перевірки трьох ключових інструментів: пристрою для вимірювання ударних хвиль, який називається зондом для зондування ударних хвиль ближнього поля, навігаційної системи, відомої як повітряна система інтеграції місцезнаходження та геопросторової навігації, та повітряної системи шліренової фотографії, яка дозволить робити знімки, що роблять видимими зміни щільності повітря, спричинені X-59.

До прибуття F-15D Армстронг покладався на другий F-15, який використовувався під час цієї кампанії — F-15B, який зазвичай використовується для тестування обладнання, навчання пілотів та підтримки інших польотних проєктів. Проєкт SCHAMROQ використав два літаки для успішного завершення подвійних польотів, серії льотних випробувань з використанням двох літаків одночасно. Обидва літаки літали в строю, несучи зонди для зондування ударних хвиль ближнього поля, та збирали дані один від одного для тестування зондів та перевірки інструментів в реальних умовах. Дані допомагають підтвердити, як ударні хвилі формуються та розвиваються під час польоту.

Для місії Quesst F-15D очолюватиме зусилля зі збору даних, використовуючи бортовий зонд, тоді як F-15B служитиме резервним. Коли зонд літатиме позаду X-59, він допоможе виміряти невеликі зміни тиску, спричинені ударними хвилями, та підтвердити прогнози, зроблені роки тому, коли вперше була створена конструкція літака.

Системи шліренової фотографії на борту F-15 надаватимуть дослідникам Quesst важливі дані. Інші інструменти, такі як комп'ютерне моделювання, яке прогнозує потік повітря, та випробування в аеродинамічній трубі, корисні, але шліренові зображення показують реальний потік повітря, особливо в складних зонах, таких як двигун та повітрозабірник.

Щоб ця система працювала правильно, два літаки повинні бути точно розташовані під час випробувальних польотів. Їхні пілоти використовуватимуть розроблений NASA програмний інструмент під назвою повітряна система інтеграції місцезнаходження та геопросторової навігації ALIGNS. ALIGNS діє як система наведення для пілотів, пояснив Трой Робіллос, дослідник NASA, який очолював розробку ALIGNS. Вона показує їм, де розташувати літак, щоб або зондувати ударну хвилю в конкретній точці, або потрапити в правильну геометрію для шліренової фотографії.

Шліренова система включає ручну високошвидкісну камеру з телескопічним об'єктивом, яка знімає сотні кадрів на секунду та візуалізує зміни щільності повітря, але тільки якщо вона може використовувати сонце як фон. Фотограф тримає камеру біля грудей, цілячись через бічну частину кабіни кокпіту на сонце, тоді як пілот маневрує через цільову зону шириною 100 футів, розповів Едвард Херінг, аерокосмічний інженер NASA, який очолює дослідження шліренів. Якщо сонце залишає кадр, ми втрачаємо ці дані, тому ми робимо кілька проходів, щоб переконатися, що зробили знімок.

Вирівнювання двох швидко рухомих літаків на фоні сонця є найскладнішою частиною. Фотограф повинен зафіксувати літак, що летить через центр сонця, і навіть найменший зсув може вплинути на знімок та зменшити якість даних. Це як намагатися сфотографувати через соломинку під час надзвукового польоту, сказав Робіллос.

Але з ALIGNS процес набагато точніший. Програмне забезпечення працює на захищених планшетах та використовує GPS-дані з обох літаків для розрахунку, коли літаки знаходяться в позиції для зондування та для захоплення шліренових зображень. Надаючи пілотам інструкції в реальному часі, воно дозволяє їм досягти точного позиціонування.

Віха валідації команди X-59 для шліренового зображення та інших систем підтверджує, що основні інструменти NASA для вимірювання ударних хвиль готові вивчати X-59 в польоті, перевіряючи унікальну акустику літака для підтвердження його тихішого звукового стукоту.