Przy zwykłych prędkościach deszcz jest dla samolotu tylko pogodą, ponieważ kropla uderza w skrzydło, rozpryskuje się i znika. Problem zaczyna się dopiero wtedy, gdy maszyna leci szybciej od dźwięku. Wtedy ta sama, niczym niepozorna kropla wody zamienia się w pocisk i potrafi wyżłobić poszycie, a w skrajnym przypadku przebić kadłub rakiety, kapsuły czy przyszłego naddźwiękowego samolotu pasażerskiego.
Taki smutny wynik badań dla naddźwiękowego lotnictwa cywilnego i wojskowego właśnie przedstawił zespołu Sheryl Grace z Boston University. Okazuje się, że przy prędkości powyżej około 1235 km/h energia zderzenia rośnie tak gwałtownie, że nawet milimetrowa kropla uderza z siłą większą niż kula. "Im wyższa prędkość pojazdu, tym większe zniszczenia potrafi wyrządzić jedna kropla. Może przejść prosto przez pojazd" - powiedziała Grace. Zagrożenie dotyczy kapsuł wracających z orbity, prywatnych rakiet, systemów obronnych i zapowiadanych naddźwiękowych liniowców, zwłaszcza w dolnych warstwach atmosfery, gdzie pojazd wciąż pędzi, a jednocześnie przecina chmury.
Deszcz przebija kadłub naddźwiękowego samolotu
Dotychczasowe modele certyfikacyjne traktowały kroplę jak jednorodną kulę utrzymywaną wyłącznie przez napięcie powierzchniowe. Grace uznała, że to uproszczenie pomija to, co dzieje się w jej wnętrzu. Chodzi o kawitację. W wodzie deszczowej tkwią mikroskopijne pęcherzyki gazu, które pod wpływem fali uderzeniowej gwałtownie się kurczą i rozdymają. Ten sam mechanizm niszczy śruby okrętowe. W kropli może przyspieszać jej rozpad jeszcze zanim uderzy w metal.
"Kawitację modeluje się od ponad 100 lat, ale nie jako czynnik rozrywający kroplę od środka" - zaznacza Grace. Od tego, jak szybko kropla się rozpadnie i z jaką energią jej odłamki trafią w powierzchnię, zależy skala uszkodzeń. A może być ona okreslona od wżerów, przypominających krajobraz Księżyca, aż po przebicie poszycia. Zespół liczy to na klastrze obliczeniowym uczelni w Holyoke. Doktorantka Rebecca Shannon i studentka Reka Sundem uruchamiają równolegle różne modele numeryczne, by odróżnić prawdziwą fizykę od artefaktów oprogramowania.
Zobacz również:
Armia USA ma problem ze swoimi nowymi samolotami
Zadanie jest piekielnie trudne, bo trzeba jednocześnie opisać kilka cieczy, skale od mikroskopijnych pęcherzyków do całej kropli oraz gwałtowne skoki ciśnienia. Wcześniejsze obliczenia obejmowały krople o średnicy około dwóch milimetrów przy falach odpowiadających Mach 2,4 i Mach 5. Wówczas wpływ kawitacji rośnie wraz z intensywnością fali. Badacze sprawdzali to także empirycznie w rurze uderzeniowej, porównując zwykłą wodę z wodą odgazowaną.
Co ciekawe, prace nad tym fenomenem finansuje Air Force Office of Scientific Research. Celem nie jest jeszcze nowe pokrycie ani magiczna granica prędkości, lecz precyzyjniejszy model, który określi kiedy deszcz naprawdę zagraża maszynie i w jakiej pogodzie start przestaje być rozsądny. Dziś operatorzy często po prostu nie wylatują, gdy prognoza zapowiada opady. Grace stawia pytanie inaczej, jak często rezygnujemy z lotu czymś, czym moglibyśmy polecieć, tylko dlatego, że zwykły deszcz mógłby uszkodzić konstrukcję wartą miliardy.
***
Bądź na bieżąco i zostań jednym z 98 tys. obserwujących nasz fanpage - polub GeekWeek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!
