Des bancs d’essai aéroportés peu coûteux pourraient étudier les technologies hypersoniques

Les satellites miniatures connus sous le nom de CubeSats jouent un rôle plus important dans les missions spatiales qui auraient pu auparavant être effectuées par des engins spatiaux conventionnels plus coûteux. Désormais, des chercheurs du Georgia Institute of Technology envisagent une mission encore plus vaste pour les CubeSats en tant que bancs d’essai aéroportés pour les technologies en cours de développement pour les futures générations de véhicules hypersoniques.

Le développement de véhicules hypersoniques capables de voyager dans l’atmosphère terrestre à Mach 5 ou plus vite, soit cinq fois la vitesse du son, attire de nouveaux financements substantiels du gouvernement et de l’industrie. Mais les installations de test nécessaires pour évaluer les problèmes thermodynamiques, aérodynamiques, acoustiques et autres critiques pour fonctionner dans cet environnement difficile sont limitées, très demandées et coûteuses à utiliser.

Les chercheurs de Georgia Tech veulent éliminer ce barrage routier en construisant des CubeSats renforcés qui pourraient utiliser la rentrée depuis l’espace pour générer les conditions nécessaires pour évaluer les technologies hypersoniques. Les petits satellites, avec leurs systèmes clés protégés de la chaleur de la rentrée, seraient lancés dans la haute atmosphère depuis la Station spatiale internationale ou une fusée “covoiturage” pour fournir plusieurs minutes de test à des vitesses allant jusqu’à Mach 25.

“Nous examinons la faisabilité de construire ce qui serait une soufflerie volante peu coûteuse”, a déclaré Krish Ahuja, professeur Regents d’ingénierie aérospatiale et chef de division pour l’aérospatiale et l’acoustique au laboratoire d’aérospatiale, de transport et de systèmes avancés du Georgia Tech Research. Institute (GTRI) et chercheur principal du projet. “Nous pourrions rassembler à peu près toutes les données qui seraient nécessaires pour la recherche hypersonique et fournir une nouvelle façon de mener des études qui peuvent maintenant être assez difficiles à faire.”

Une étude initiale suggère de développer un véhicule 6U

Sur la base d’une étude de faisabilité de six mois qui comprenait des collaborateurs de la School of Aerospace Engineering de Georgia Tech et de deux entreprises privées, Ahuja pense qu’il serait utile de poursuivre la conception d’un véhicule d’essai 6U pour évaluer le concept. (Un CubeSat 6U correspond à peu près à la taille de l’unité centrale d’un ordinateur de bureau). Si cela s’avère prometteur, des véhicules plus grands pourraient être construits avec une instrumentation, un guidage et même une propulsion plus performants.

L’objectif de la première année du projet est de comprendre ce qui serait nécessaire pour développer et lancer les bancs d’essai volants, et les récupérer après le vol. La conception et le développement des nouveaux véhicules d’essai doivent surmonter des défis importants liés au contrôle de la durée du vol, de la vitesse, de l’altitude et de l’orientation du véhicule lors de la collecte de données. Des systèmes pour communiquer avec le sol et suivre la trajectoire du véhicule doivent également être développés. En outre, une partie de l’objectif de la première année consiste à créer une feuille de route montrant le processus de développement et de test.

“Les travaux en cours comprendront une analyse” système de systèmes “du concept pour modéliser ses performances et son interaction avec d’autres systèmes de soutien afin d’évaluer sa capacité à mener des recherches scientifiques”, a déclaré Ahuja. “Nos calculs initiaux indiquent qu’un CubeSat 6U pourrait être renforcé avec un système de protection thermique pour les conditions hypersoniques afin d’aider à mener des expériences de faisabilité limitées. Ce sera un élément de base pour les futurs systèmes qui seraient plus grands et capables de mener les tests que nous envisageons.”

Les essais initiaux impliqueront probablement une chute libre du véhicule d’essai, mais les essais ultérieurs comprendront des surfaces de contrôle qui fourniront une direction pour empêcher le culbutage et d’autres effets indésirables. Plusieurs CubeSats pourraient également être exploités ensemble.

Nouvelles capacités possibles pour les petits satellites

Les CubeSats, ainsi appelés parce qu’ils sont conçus dans des tailles de cube standard, ne sont normalement pas conçus pour être récupérés après une mission ; quand leur travail est terminé, ils brûlent simplement dans l’atmosphère. Parce qu’Ahuja veut étudier les effets sur les matériaux et capturer les données des instruments embarqués, les satellites de la soufflerie volante devront être récupérés à l’aide de parachutes qui les déposeront dans une zone de récupération, peut-être dans le désert du sud-ouest.

“Les faire descendre au bon endroit nécessitera un bon guidage et un bon contrôle, une bonne télémétrie et un système de propulsion”, a-t-il déclaré. “Le défi sera de les rendre très petits et peu coûteux. Pour obtenir les informations dont nous avons besoin, nous devrons amener le banc d’essai au sol en toute sécurité.”

Les températures élevées générées par la rentrée dans l’atmosphère terrestre pourraient être utiles pour plus que simuler des conditions hypersoniques. Ahuja pense que la chaleur pourrait être utilisée pour faire fonctionner un appareil propriétaire qui pourrait assurer la direction des CubeSats, qui n’ont normalement pas de systèmes de propulsion.

Une grande partie de la recherche actuelle sur le vol hypersonique dépend des données des simulations numériques de dynamique des fluides, qui doivent être validées par des tests. Au-delà des informations obtenues grâce au banc d’essai, Ahuja pense que le petit vaisseau spatial pourrait apporter une grande contribution en fournissant une ancre dans le monde réel pour les outils d’analyse que les chercheurs utilisent pour une variété de véhicules hypersoniques.

Une nouvelle approche des tests hypersoniques est nécessaire

Les tests hypersoniques sont généralement effectués dans des souffleries de courte durée ou des bancs d’essai à haute température, ce qui signifie que les conditions de haute vitesse et de haute température sont difficiles à atteindre simultanément et à des durées de test pertinentes pour les véhicules hypersoniques. De plus, il existe peu d’installations existantes où de tels tests peuvent être effectués, et ils sont très demandés. Le nouveau banc d’essai devrait fournir environ trois minutes de test par vol.

Actuellement, il existe un besoin critique de comprendre combien et quel type de système de protection thermique est nécessaire pour protéger les véhicules hypersoniques à des vitesses élevées où le frottement peut produire des températures de plus de 4 000 degrés F. De plus, il y a des questions sur les effets acoustiques et comment inégale la chaleur se répandra dans un véhicule et endommagera potentiellement sa structure.

“Le flux d’air à travers un véhicule hypersonique peut être à la fois turbulent et laminaire, différent sur différentes parties du véhicule”, a déclaré Ahuja. “Ces grandes variations des propriétés d’écoulement peuvent produire de grandes variations de température sur la surface du véhicule, ce qui est hautement indésirable en ce qui concerne l’intégrité structurelle du véhicule. En tant que tel, nous devons comprendre ce qui arrive au matériau à la suite des changements de température. Cette charge thermique ne peut pas être étudiée dans les souffleries conventionnelles, qui offrent normalement des fractions de secondes de temps de fonctionnement dans des conditions hypersoniques, car il faut un certain temps pour que ces conditions deviennent stables.

La charge acoustique peut également affecter considérablement l’intégrité structurelle d’un véhicule hypersonique, ce qui nécessite également du temps pour être évalué. “Une charge acoustique du type qui pourrait générer une fissure dans une structure qui se développe avec le temps”, a-t-il déclaré. “Nous pourrions créer et étudier ces conditions avec notre banc d’essai volant.”

En rassemblant suffisamment de données à partir des études initiales, Ahuja espère attirer des collaborateurs pour aider à mettre en œuvre la nouvelle approche de test.

“Il y a tellement d’enthousiasme pour cela que je pense que nos chances de succès sont élevées”, a-t-il déclaré. “En lançant depuis un autre système spatial, nous n’aurons pas à nous soucier de la propulsion initiale du lancement. Cela pourrait relever de nombreux défis dans la conduite de recherches hypersoniques.”