Un estudio publicado en aeroespacial propuso un método para investigar los efectos aeroópticos en vehículos hipersónicos basado en la interacción entre las moléculas de gas y los fotones. Este método puede explicar la disipación de energía y la distorsión óptica inducida por los efectos aeroópticos a nivel microscópico.
Estudiando: Un nuevo método para analizar los efectos aeroópticos de vehículos hipersónicos basado en un mecanismo microscópico. Crédito de la imagen: Naeblys/Shutterstock.com
Importancia de los efectos aero-ópticos en los vehículos hipersónicos
Los vehículos hipersónicos han atraído mucho interés debido a su capacidad para atacar rápidamente. La demanda de sistemas de navegación autónomos en estos vehículos está aumentando.
Un sistema de navegación celestial (CNS) ofrece beneficios notables sobre los sistemas de navegación convencionales en vehículos hipersónicos, incluida una excelente capacidad antiinterferencias, error no acumulativo y alta confiabilidad.
Sin embargo, la implementación de CNS en vehículos hipersónicos se ve obstaculizada por errores de medición del sensor óptico debido a efectos aeroópticos. El efecto aero-óptico puede inducir errores de medición de ángulo de hasta 400 rad en entornos dinámicos de alta velocidad. Comprender los efectos aero-ópticos es crucial para la corrección de errores del SNC de los vehículos hipersónicos.
Los efectos aeroópticos incluyen el acoplamiento del campo de luz y el campo de flujo de alta velocidad. Un campo de flujo complejo producido entre un flujo de entrada y un cabezal óptico, junto con los efectos aeroópticos, genera interferencias en la transmisión en el sistema de detección de imágenes, lo que provoca fluctuaciones, cambios de imagen, desenfoque y pérdida de potencia.
Limitaciones de la investigación actual sobre los efectos aeroópticos
A pesar de los importantes avances experimentales en el estudio del efecto aero-óptico, la investigación sobre sus procesos microscópicos se ha estancado. La investigación actual sobre los efectos aeroópticos se centra principalmente en modificar el campo de densidad turbulento a lo largo del camino óptico.
En estos estudios, la técnica de trazado de rayos examina el campo de índice de refracción cerca de la capa límite turbulenta (TBL) para investigar la distorsión de fase impuesta por un campo de flujo de alta velocidad.
Sin embargo, estos estudios no lograron cuantificar adecuadamente la pérdida de energía de la transmisión de luz en turbulencia, ya que sus metodologías sobre los efectos de desviación de las formaciones de vórtices turbulentos a gran escala en la transmisión de luz estaban limitadas al nivel macro característico.
Algunos investigadores emplearon la teoría de las ondas para describir los fenómenos aeroópticos, pero el cambio de amplitud se ignoró en gran medida y se utilizaron las ecuaciones simples de Maxwell para modelar la transmisión de la luz en turbulencia.
Estudio de los efectos aero-ópticos usando la teoría de fotones
Los efectos aeroópticos se pueden entender utilizando la teoría de fotones. Cuando se utiliza un gas uniforme o un flujo laminar como objetivo de estudio, los efectos microscópicos, como la absorción y la dispersión, no son visibles y pueden investigarse directamente mediante óptica geométrica.
Sin embargo, cuando los cambios turbulentos se vuelven más severos, las partículas de gran escala alcanzan el área de disipación y se transforman en partículas de pequeña escala. En este momento, la velocidad y densidad de la turbulencia y las distribuciones de moléculas en los estados excitado y fundamental varían dramáticamente.
Sin embargo, analizar los efectos aeroópticos reales es imposible considerando solo el efecto de refracción. Por lo tanto, la transmisión fotónica en turbulencia es necesaria para estudiar el mecanismo microscópico de los efectos aeroópticos.
Análisis de efectos aero-ópticos basados en la interacción entre fotones y moléculas de gas
Los investigadores emplearon el mecanismo de transporte de fotones para realizar el primer examen microscópico de los efectos aeroópticos.
Se diseñó una técnica de modelado basada en mecanismo microscópico generando un modelo de transmisión fotónica en turbulencia. La perspectiva fotónica revela la estructura microscópica de los efectos aeroópticos, que se basan en la interacción entre las moléculas de gas y los fotones en un entorno de flujo de alta velocidad.
La efectividad del microanálisis propuesto en la macroescala se verificó comparando cantidades físicas de efectos aeroópticos estándar con parámetros de distorsión óptica desarrollados bajo la perspectiva fotónica.
Hallazgos significativos del estudio
El núcleo de los efectos aeroópticos a nivel microscópico se revela por primera vez desde el punto de vista de los fotones utilizando un mecanismo de transmisión fotónica.
Las herramientas actuales de simulación aeroóptica no pueden examinar la disipación de energía en el proceso de transmisión. Sin embargo, esta investigación desarrolla una técnica de análisis de simulación para explicar la disipación de energía y la distorsión óptica inducida por fenómenos aero-ópticos a nivel microscópico.
La tasa de disipación de energía y la divergencia de energía de los fotones más cercanos a la ventana óptica son más significativas, lo que indica que las moléculas turbulentas absorben y dispersan más fotones a medida que aumenta la distancia de transmisión. La divergencia de energía de fotones y la tasa de disipación de energía crecen linealmente con el grosor del umbral de simulación de fotones.
Aunque la tasa de disipación de energía se reduce, las tasas de pérdida de energía de los fotones en varios lugares son variables, lo que afecta la identificación del centro de masa al calcular el ángulo de desplazamiento con el método convencional en un 5,56 %.
Al describir las características de distorsión de los fotones en varias estructuras de escala turbulenta y evaluar la energía en los efectos aeroópticos, el método propuesto trasciende las limitaciones de los métodos ópticos geométricos convencionales.
Referencia
Yang, B.; Yu, H.; Liu, C.; Wei, X.; Abanico, Z.; Miao, J. Un nuevo método para analizar los efectos aero-ópticos de vehículos hipersónicos basado en un mecanismo microscópico. aeroespacial. https://www.mdpi.com/2226-4310/9/10/618
