Rakietowe pociski hipersoniczne poruszają się z prędkością ponad pięciokrotnie większą od prędkości dźwięku. W odróżnieniu od pocisków balistycznych, które również mogą osiągnąć zbliżoną prędkość, pociski hipersoniczne charakteryzują się zwiększoną manewrowością, utrudniającą estymację paraboli lotu i praktycznie uniemożliwiającą ich zestrzelenie.
Rosnąca presja, związana z rozwojem broni hipersonicznej przez Koreę Północną, Chiny, Rosję i Iran, skłoniła amerykańskich naukowców z Sandia National Laboratory do opracowania sposobu na przyspieszenie procesu badawczo-rozwojowego perspektywicznych pocisków hipersonicznych.
Jak wyjaśnia Justin Wagner, specjalista od inżynierii lotniczej i kosmicznej z Sandii, lotom hipersonicznym towarzyszą ekstremalne zjawiska fizyczne, obejmujące wzrost temperatury, ciśnienia i drgań. Powietrze w obrębie fali uderzeniowej ulega zaś jonizacji, co skutkuje wytworzeniem się plazmy. Takich warunków praktycznie nie da się uzyskać w warunkach laboratoryjnych, lecz podejmowane są próby zaprojektowania eksperymentów, jak najlepiej oddających wspomniane zjawiska.
Za przykład materiałów, zdolnych wytrzymać ekstremalne temperatury w kontekście lotów hipersonicznych mogą posłużyć materiały należące do ceramiki ultra-wysokotemperaturowej – UHTC (ultra-high temperature ceramics), o których pisaliśmy w artykule:
Technologie produkcji powłok TPS (thermal protection system), opracowanych pod kątem załogowych lotów kosmicznych nie do końca sprawdzają się w przypadku pocisków hipersonicznych, między innymi ze względu na fakt, że takie pociski są z natury jednorazowe.
Na potrzeby badania procesu wypalenia niewielkich rozmiarów próbek ablacyjnych powłok termicznych wykorzystano strumień indukcyjnie wzbudzanej plazmy, rozgrzany do 7000 K, a więc porównywalny do temperatury panującej na powierzchni Słońca.
Do przebadania próbek o większych gabarytach wykorzystano wieżę słoneczną w National Solar Thermal Test Facility, koncentrującą w jednym punkcie energię słoneczną odbitą przez system ponad dwustu zwierciadeł.
Innym rodzajem badań są próby w specjalnym tunelu aerodynamicznym, gdzie przez ułamek sekundy uzyskiwana jest fala uderzeniowa i temperatura, zbliżona do warunków towarzyszących lotom z prędkością Mach 10.
Zdaniem Brandona Smitha z NASA Jet Propulsion Laboratory, standardową praktyką w zakresie badania osłon termicznych jest przeprowadzenie co najmniej kilku różnych naziemnych badań eksperymentalnych, zanim materiał zostanie uznany za gotowy do testów w locie.
Na podstawie danych eksperymentalnych opracowano komputerowy model, uwzględniający parametry materiału osłony termicznej, aerodynamikę i transfer ciepła na potrzeby odwzorowania zjawisk fizycznych, zachodzących podczas lotów z prędkością hipersoniczną. W oparciu o wyniki szeregu symulacji wytrenowano model zredukowany o 90% dokładności. Podczas gdy symulacje przy użyciu modelu full-physics na superkomputerze zajmowały kilka dni, zastosowanie zredukowanego modelu do analizy analogicznych przypadków skraca czas symulacji do zaledwie kilku sekund, i to na zwykłym komputerze.
Gruntownie przebadane materiały selekcjonowane zostają do badań w locie, w ramach programu MACH-TB (multi-service advanced capability hypersonics test bed). Każdy lot testowego pocisku wynosi do atmosfery próbki, przygotowane przez dwadzieścia zespołów badawczych. Próbki mają rozmiary od jednego do dziesięciu centymetrów. Każda z nich wyposażona jest w czujnik temperatury. Próbki badane są także przy użyciu optycznej i laserowej spektrometrii emisyjnej. Materiały opracowane przez specjalistów Sandii odbyły już dwa loty hipersoniczne. Kolejny lot testowy planowany jest na lato 2026 roku.
newsreleases.sandia.gov
