Cum se face o fotografie Schlieren unui avion supersonic la mare altitudine

Avionul XB-1 al celor de la Boom Supersonic a zburat pentru ultima oară. Nu a pățit nimic, dar și-a încheiat testele de validare a prototipului și acum cei de la Boom vor începe construcția avionului de pasageri de dimensiuni mari, numit Overture. Estimarea este de vreo doi ani.

M-am uitat la un streaming live al ultimului test al avionului XB-1. Șeful companiei spunea că săptămâna viitoare se face design freeze pe Overture și în martie pe motoarele supersonice ale acestuia, iar apoi începe producția.

Mi-au plăcut însă trei lucruri și mai mult la live streaming-ul ultimului zbor supersonic. Întâi pentru că filmarea a ajuns la un nivel înalt. Avionul XB-1 a fost însoțit de un T-38 Talon, care este un avion supersonic de antrenament, și pe care a fost montată o antenă Starlink. Asta a permis cuiva din T-38 să transmită live imagini de calitate foarte bună, filmate de lângă avionul pe care-l însoțeau. Este aceeași tehnologie pe care SpaceX o folosește la lansarea rachetelor pentru a transmite constant imagini de la camerele video.

Apoi, lăsând la o parte că au depășit din nou viteza sunetului cu avionul respectiv, au încercat și să realizeze o fotografie Schlieren, care este o fotografie în care se văd undele de șoc produse în aer de avion, care altfel sunt invizibile cu ochiul uman. Mi se pare uimitor cum se realizează asta pentru un avion.

Undeva la sol, în deșertul unde testează, cei de la NASA au montat un telescop echipat cu o cameră foto de frame rate foarte mare. Telescopul era orientat direct spre soare. Avionul XB-1 a trebuit să treacă prin dreptul soarelui față de telescop, exact când acesta declanșa fotografierea de mare viteză.

Avionul în sine are 20 de metri și a zburat la vreo 11.000 de metri altitudine cu o viteză de aproximativ 1500 km/h. Nu știu dacă l-am vedea noi cu ochiul liber la o asemenea altitudine, iar soarele are și el un diametru aparent de… cât? un centrimetru pe cer?

Telescopul oferă un zoom puternic, dar oricum întreaga operațiune este complicată. Avionul trebuie să zboare pe un curs foarte precis ca să intre în fotografie, cu o toleranță de câțiva zeci de metri pe orice direcție. La 1.500 km/h.

Pilotul a controlat manual avionul. Întrucât poziția soarelui se schimbă constant pe cer, și cursul și altitudinea pe care trebuie să o urmeze variază mereu. Este greu de programat dinainte un curs pentru că nu știi, de fapt, momentul la care ajungi în zona de testare. Depinzi de când decolezi, cât îți ia să ajungi la altitudinea și viteza dorită, checklist-ul de dinainte de test șamd. Așa că există un calculator care îi spunea pilotului, în funcție de momentul precis al zilei, ce curs trebuie să urmeze pornind de la un punct precis.

Pilotul duce avionul la o altitudine precisă, indicată de GPS, nu de presiunea aerului, ia acel curs și acea viteză și o ține constantă, corectând pentru mici abateri. În practică, de fapt, trece prin punctul de start având deja viteză supersonică și un curs cât mai apropiat.

Fotografierea Schlieren are nevoie de o sursă puternică de lumină, iar soarele are acest rol. Avionul provoacă unde de șoc, adică zone în care aerul este mai dens decât în altele pentru că la propriu moleculele se “îmbulzesc” una în alta atunci când avionul trece printre ele și le dă la o parte din fața sa. Razele de lumină de la soare vor avea traiectoria ușor modificată atunci când trec prin zonele mai dense (pentru că vor avea alt indice de refracție) decât prin zonele mai normale și se obține o fotografie numită Schlieren, probabil după inventatorul ei.

Imaginile obținute arată ca mai jos și se văd undele de șoc produse de diverse elemente proeminente ale avionului, precum botul, cockpitul șamd. Teoretic toate acestea se mod simula pe calculator. Vrei însă să le vezi și în practică.

Wikipedia are și alte imagini spectaculoase obținute cu surse normale de lumină. Mai jos este o lumânare, iar ceea ce se vede deasupra ei nu este fum, ci ceva invizibil ochiului. Este de fapt vârtejul, mișcarea aerului de deasupra lumânării, scoasă astfel în evidență pentru că de la un milimetru la altul diferă un pic indicele de difracție al aerului în funcție de curenții prezenți:

By Gary Settles – Own work, CC BY-SA 3.0, Link

A treia treabă foarte tare este că cei de la Boom spun că pot evita un boom sonic care să fie deranjant la sol, ceea ce le-ar permite să zboare supersonic și deasupra uscatului. Concorde, de exemplu, zbura supersonic doar deasupra apei. Boomul sonic este un sunet foarte puternic, ca o explozie, care se aude în urma oricărui obiect (avion, glonț etc) care are o viteză mai mare decât a sunetului.

Explicația ține tot de moleculele de aer care, la viteze supersonice, nu au suficient timp să se dea la o parte din fața avionului. Toate moleculele acelea se unesc într-o undă de șoc zgomotoasă, dar care nu este periculoasă. S-au făcut teste cu avioane supersonice zburând foarte jos și efectul este mai degrabă deranjant pentru urechi, că nu vrei să auzi ceva ce sună cu o explozie sau un tunet de câte ori trece un avion pe deasupra.

Cei de la Boom spun însă că acele unde de șoc se refractă și ele atunci când coboară prin atmosferă către sol, iar unghiul lor față de sol se tot modifică. Cu suficient spațiu la dispoziție, undele de șoc devin paralele cu solul și chiar se pot întoarce în sus. Puterea lor se disipă oricum în timp.

XB-1 nu a creat boomuri sonice. Din testele lor, se pare că un boom sonic ar fi fost perceput dacă ai fi fost pe la 2000 de metri altitudine, dar nu mai jos. Asta înseamnă că avionul lor viitor, cel mare numit Overture, ar putea primi permisiunea de a accelera la mai mult de viteza sunetului inclusiv deasupra pământului, câtă vreme ajunge întâi la o altitudine suficient de mare astfel încât undele de șoc generate în aer să nu ajungă până la sol. Așa o fi.

Aceasta este transmisiunea live: