Ракета с ямочками, созданная Салом Родригесом и Грэмом Монро, была испытана в декабре 2022 года. Фото: Сал Родригес
Сэл Родригес, инженер-ядерщик из Национальной лаборатории Сандии, совершает ракетную революцию с помощью Университета Нью-Мексико и студента Грэма Монро.
Их передовые исследования продвигают будущее аэрокосмической отрасли, привнося ракетостроение с оттенком волшебства мяча для гольфа.
Они включали в себя ямочки, подобные тем, что есть на мячах для гольфа, что является ключевым элементом в исследованиях Родригеса в области гидродинамики и теплопередачи.
Изготовление носовой части ракеты
Идея возникла в 2019 году, когда Монро работала с Родригесом в Сандии в качестве студента-стажера.
«Меня всегда интересовала аэродинамика», — сказала Монро. «Я работал над получением степени бакалавра инженерных наук в 2019 году, когда принял участие в запуске Lobo Launch на Кубке Америки по космодрому. Тем временем Сал исследовал некоторые проекты по созданию углублений. Мы начали обсуждать и пришли к идее сделать углубления в носовом обтекателе корабля. ракета.»
Эксперимент превратился в магистерский проект Монро.
Они начали с программы по созданию ямочек, которую Родригес создал в 2014 году и защищен авторскими правами в 2017 году.
«Программа включает в себя определенный набор уравнений, который позволяет пользователю взглянуть на геометрию объекта и добавить скорость и жидкость, через которую он движется», — сказал Родригес. «Вы вводите это в программу, и она выводит необходимый рисунок ямочек».
Грэм Монро (слева) и Сэл Родригес демонстрируют нос ракеты с ямочками, который они построили в рамках сотрудничества Сандии и Университета Нью-Мексико. Фото: Дженнифер Планте/Сандийские национальные лаборатории.
Затем Монро напечатала носовой обтекатель на 3D-принтере. Тем временем команда Lobo Launch из UNM создала сопутствующую ракету и гладкий носовой обтекатель, который был идентичным, за исключением ямочек.
Из-за пандемии COVID-19 и того факта, что команде Lobo Launch нужна была ракета для предстоящего соревнования Spaceport America Cup, запуск ракеты стал сложной задачей.
Наконец, он был подвергнут испытаниям в ноябре и декабре 2022 года.
«Мы были вне себя от радости, когда обнаружили, что ракета с ямочками имеет сопротивление трения на 22% меньше, чем гладкая ракета», — сказал Родригес. «На своем пике он снизил сопротивление на 39,1%. Таким образом, вам нужно меньше топлива, и он производит меньше CO2, что полезно для окружающей среды».
Осенью 2023 года Монро успешно защитил диссертацию, заслужив заветный «отличник».
«Было очень приятно участвовать в этом исследовании», — сказала Монро. «Быть частью чего-то, что можно было бы использовать в реальном мире. Когда мы смотрим на время и эпоху, в которой мы находимся, в том, что касается освоения космоса, эффект, который это может оказать на экономию энергии, действительно значителен».
Так как же работают эти ямочки?
«Они создают турбулентность, перераспределяют турбулентную энергию, ускоряют поток в областях с ямочками и уменьшают толщину пограничного слоя», — сказал Родригес.
Компьютерное моделирование показывает, как ямочки влияют на сопротивление. Кредит: Сал Родригес
Он сказал, что хорошей аналогией являются олимпийские соревнования по прыжкам в воду. «Дайвер, который погружается в воду с наименьшим всплеском, получает дополнительные баллы, потому что при более аэродинамическом погружении создается лишь очень небольшой поток воды. То же самое происходит и с ямочками. Они создают настолько аэродинамичную картину потока, что объекты с ямочками генерируют лишь небольшие беспорядочные потоки потока — погружение с золотой медалью».
Принесите Мустанг
Но не только ракеты могут выиграть от этого углубления. Родригес изучает другие способы использования ямочек. В малоизвестном проекте с Бобби Ансером-младшим он сделал ямочки на капоте Ford Mustang.
«Это было так захватывающе, потому что он был в восторге от гонок и гоночных автомобилей», — сказал Родригес об Унсере. «Я рассказал ему о своих авторских правах и о том, что могу сделать его спортивную машину ямочкой и заставить ее двигаться быстрее. Он был очень взволнован».
Родригес использовал свою программу, чтобы найти идеальный размер и расположение ямок на капоте автомобиля. Как и в случае с ракетой, результаты были значительными. Они продемонстрировали снижение сопротивления воздушного потока минимум на 25 % по сравнению с автомобилем без ямок. В эксперименте также участвовал автомобиль с ямочками размером с теннисный мяч, чтобы доказать, что, хотя все ямочки полезны, точность их использования является ключевой.
Пара надеялась изучить вопрос, будут ли потребители довольны ямочками на своей машине. К сожалению, Унсер умер прежде, чем проект пошел дальше.
Дело не только в аэродинамике
Один из последних проектов Родригеса — использование ямочек для теплопередачи. Он построил аппарат, который показывает, как ямочки могут ускорить процесс нагрева.
Сал Родригес (справа) с изумлением наблюдает, как технолог Робин Шарп вводит краску в построенную ими модель с ямочками, показывая, как ямочки увеличивают теплопередачу в воде. Фото: Крейг Фриц/Сандийские национальные лаборатории.
Коробка с тремя сторонами из плексигласа и одной стороной из алюминия с ямочками наполняется водой, а затем подключается к источнику тепла.
«Мы помещаем туда бусины и красим, чтобы посмотреть, как они движутся по ямочкам», — сказал Родригес. «Мы были свидетелями того, как они ускорялись вдвое быстрее, чем за пределами ямочки, и с повышенной турбулентностью». Это доказывает, что углубления улучшают теплопередачу.
Родригес говорит, что эту технологию можно превратить в солнечный водонагреватель. Это может изменить жизнь мест, где нет легкого доступа к электричеству, таких как индейские резервации или развивающиеся страны. Оно уже привлекло внимание компании в другой стране.
Работа Родригеса по ямочкам еще далека от завершения. Его команда недавно подала непредварительную заявку на патент на ветряные турбины с ямочками.
«Мы можем подать заявку на ракеты, самолеты, автомобили, электронные транспортные средства, подводные лодки, дроны и лопасти ветряных турбин», — сказал Родригес. «Мы можем увеличить расстояние, на которое они могут путешествовать, или увеличить количество энергии, которую они собирают. Углубление окажет благотворное влияние на аэродинамику. Мы сможем спроектировать ракеты, которые смогут нести гораздо более тяжелую полезную нагрузку в космосе, и сделать исследование космоса более доступным, по крайней мере, на 10-20%».
Хотя его работа очень практична, Родригес также надеется получить от нее немного удовольствия. Он уже выдумывает новые идеи. «Может быть, мы могли бы использовать скоростные катера, водные мотоциклы и даже фрисби», — сказал Родригес.
Информация от: Национальными лабораториями Сандии.
