Научный центр NASA Лэнгли: пионер аэронавтической инновации

Объект, теперь известный как Научный центр Лэнгли, был основан под предшественником NASA — Национальным советским комитетом по аэронавтике (NACA) — в 1917 году, став первой гражданской аэронавтической лабораторией в США. Строительство началось в том же году рядом с Хэмптоном, штат Вирджиния, на поле Лэнгли.

В 1931 году была завершена работа над тем, что тогда было крупнейшим в мире аэродинамическим трубой с испытательным сечением 30 × 60 футов, известной как Полномасштабная труба Лэнгли. Труба могла изучать целые полноразмерные самолеты того времени и была инструментальна в проведении исследований по уменьшению лобового сопротивления для почти каждого американского истребителя времен Второй мировой войны. Полномасштабная труба продолжила испытания капсулы Mercury, испытательного лунного модуля, F-16, концепций сверхзвуковых транспортов и космического шаттла.

Национальная трансзвуковая установка Лэнгли использует жидкий азот для более точного моделирования условий полета и предоставляет некоторые из самых точных в мире данных аэродинамической трубы. С начала эксплуатации в начале 1980-х годов она предоставила данные для Boeing 777 и 767, конфигурации запуска космического шаттла, концепций бизнес-джетов и системы аварийного спасения Orion.

Когда NASA начала решать проблемы вывода людей в космос, Лэнгли внес вклад в усилие. Группа космических задач, расположенная в Лэнгли до переезда в Хьюстон в начале 1960-х, принялась за планирование ранней космической программы США. Сотрудники Лэнгли спроектировали Луну посадку, 250 × 400-футовую фермовую стремянку с лунным модулем, подвешенным системой тросов, поддерживавшей все, кроме 1/6 веса модуля, и использовавшейся для обучения всех астронавтов программы Аполлон к посадке на Луну. Когда программа Аполлон завершилась, объект был преобразован для подвешивания инструментированных полноразмерных самолетов и вертолетов, которые сбрасывались в аварийных условиях для улучшения выживаемости при авариях. С развитием концепции Orion объект использовался для понимания нагрузок при посадке Orion сначала на грунт, а с добавлением гидроударного бассейна — для понимания водной посадки.

В середине 1960-х Лэнгли спроектировал симулятор сближения и стыковки для обучения астронавтов Gemini и Аполлон. Система подвешивала полноразмерную капсулу Gemini, а позже Аполлон, от потолка ангара Лэнгли. Симулятор с тех пор разобран, но система подвески осталась в потолке ангара.

Лэнгли сегодня поддерживает цели NASA по аэронавтике, исследованию, науке и космическим технологиям, с разнообразными полетными симуляторами, аэродинамическими трубами, лабораториями и вычислительным ПО.

Аэронавтика

Будь то работа над тем, чтобы сделать возможными сверхзвуковые коммерческие рейсы через континент, или помощь в создании более безопасных, тихих и топливных самолетов, эксперты Лэнгли по аэронавтике ведут идеи от черновика к реальности.

Работая с Федеральным управлением авиации (FAA), исследователи Лэнгли провели испытание, которое поможет экспертам оценить безопасность самолетов при авариях. С целью снижения смертности исследователи сбросили полноразмерный транспортный самолет F-28 Fokker на объекте Лэнгли по высадке и исследованию ударов, чтобы сгенерировать данные для компьютерных моделей, измеряющих выживаемость при аварии. Данные помогут установить стандарты для инновационных самолетов завтрашнего дня.

NASA продолжает открывать возможности для будущего тихого сверхзвукового полета через свою миссию демонстрации низкого звукового удара. Для этой миссии Лэнгли разделяет ответственность за разработку самолета X-59 Quiet SuperSonic Technology и возглавляет планы оценки реакции на звук X-59 в нескольких сообществах США, шаг к отмене текущих запретов на сверхзвуковые перелеты над сушей.

Исследователи Лэнгли успешно протестировали систему внешнего видения X-59. Она заменяет переднее иллюминаторное окно кабины пилота комбинацией сенсоров, камер и компьютерных дисплеев, давая пилоту дополненно-реальное видение вперед. Она будет готова к первому полету X-59, запланированному на этот год.

Лэнгли также тестирует новые эффективные концепции самолетов и изучает полностью электрические технологии, чтобы сделать полеты более чистыми и тихими. Вместе с Boeing исследователи Лэнгли спроектировали, построили и протестировали модель трансзвукового крыла с ферменной опорой, которая может привести к более топливным самолетам. Они также внесли методы проектирования и анализ для X-57 Maxwell, первого полностью электрического экспериментального самолета NASA.

С доступными электрическими дронами, заполняющими рынок, и бизнесами, вкладывающими деньги в концепции вроде авиатакси и автономных личных самолетов, кажется, наступает новая авиационная эра. Инструменты безопасности дронов, разработанные в Лэнгли, решают практические вопросы беспилотных полетов: как удерживать беспилотные летательные аппараты (БПЛА) от полетов туда, куда им не следует, как предотвратить их столкновения друг с другом и как помочь им безопасно приземлиться в аварийной ситуации.

Чтобы понять, как новые воздушные средства будут работать в городах и поселках, команда исследователей создала Лэнгли Аэродром №8, электрический самолет, который взлетает как вертолет. Беспилотный аппарат, созданный с деталями 3D-печати, тестировался в 12-футовом низкоскоростном аэродинамическом туннеле Лэнгли. Наряду с автономией Лэнгли исследует множество других вопросов, жизненно важных для новых воздушных средств: управление воздушным движением, зоны запрета полетов, системы связи и наведения, безопасные процедуры полета и подавление шума.

Лэнгли также разработал две новые реализации акустических облицовок для снижения шума самолетов, при которых изогнутые каналы в тесных пространствах могут быть оснащены для снижения шума. Две реализации — облицовки краев клапанов и облицовки дверей шасси для снижения шума воздухорамы. В этих приложениях акустическая облицовка спроектирована в первую очередь для снижения шума самолета, возникающего при посадке, что поможет самолетам соответствовать все более строгим ограничениям аэропортов по шуму.

Космос

Лэнгли активно объединяет инноваторов, архитекторов, ученых и инженеров для быстрой и эффективной доставки небольших полезных нагрузок в космос. Малые спутники (smallsats) — определенные NASA как космические аппараты весом 180 кг (397 фунтов) или менее — могут помочь агентству продвинуть науку и человеческое исследование, предоставляя новые варианты для снижения затрат космических миссий и расширения доступа к космосу.

Shields-1, демонстрация радиационной защиты, стал первым успешным проектом свободно-летящего малого спутника Лэнгли. Полет на запуске 2018 года Rocket Lab, он вылетел на орбиту вместе с набором других демонстраций и экспериментов. Shields-1 протестировал новый экранирующий материал, разработанный в Лэнгли.

Мощная ракета Space Launch System начнет прорывные миссии NASA. Аэронаучное الفريق Лэнгли тестировало конфигурации в центральном Унитарном плановом аэродинамическом туннеле, 14 × 22-футовом субзвуковом туннеле и аэродинамическом туннеле Национальной трансзвуковой установки.

Успешный испытательный полет Ascent Abort-2 NASA был важным шагом к защите астронавтов, которые вскоре отправятся в миссии на Луну и, однажды, на Марс. Программа системы аварийного спасения Orion, управляемая в Лэнгли, обеспечит готовность системы спасения при необходимости.

Примерно половина размера компьютерной мыши, стереокамера для изучения лунарного плума поверхности (SCALPSS) отправится на Луну в этом году в качестве полезной нагрузки на борту лунного посадочного модуля Nova-C компании Intuitive Machines. Четыре крошечные камеры покажут исследователям NASA, что происходит под космическим аппаратом при посадке на Луну. SCALPSS предоставит важные данные о кратере, образованном ракетным плумом посадочного модуля при его финальном снижении и посадке на поверхности Луны.

Данные от SCALPSS предоставят компьютерные модели, информирующие последующие посадки. Камеры SCALPSS, которые будут размещены вокруг основания посадочного модуля, начнут мониторинг образования кратера с точного момента, когда горячий плум двигателя посадочного модуля начинает взаимодействовать с поверхностью Луны. Камеры будут продолжать захват изображений до завершения посадки. Эти финальные стереоизображения, которые будут сохранены на небольшом бортовом накопителе данных перед отправкой на посадочный модуль для передачи на Землю, позволят исследователям восстановить окончательную форму и объем кратера.

Лэнгли также формирует технологии для роботизированного строительства в космосе, позволяя более длительные и дальние миссии. Система легкого манипулирования поверхностью будет использоваться компаниями, отобранными для высадки полезных нагрузок на Луну. Через набор проектов по обслуживанию, сборке и производству на орбите исследователи узнают, как использовать робототехнику и автономию для строительства инфраструктуры на Луне и в космосе.

LiDAR

Световое обнаружение и дальномерия (LiDAR) стали мощным и универсальным инструментом для NASA. Лэнгли разработал Flash LiDAR для картографирования рельефа в реальном времени и навигации на основе синтетического зрения. Чтобы воспользоваться информацией, несущейся в последовательности 3D-изображений, приобретенных с видеокадровой частотой, Лэнгли также разработал встроенный алгоритм обработки изображений, который может одновременно корректировать, улучшать и извлекать относительное движение, обрабатывая эту последовательность изображений в высокоразрешающее 3D-синтетическое изображение.

Традиционные сканирующие LiDAR-техники генерируют кадр изображения путем растрового сканирования изображения по одному лазерному импульсу на пиксель за раз, в то время как Flash LiDAR захватывает изображение так же, как обычная камера, генерируя изображение с помощью одного лазерного импульса. Преимущества Flash LiDAR позволяют автономную навигацию и управление на основе зрения для роботизированных систем.

Навигационный допплеровский LiDAR (NDL) рассматривается для обеспечения безопасных и точных посадок на планетарных телах. NDL, который точно измеряет скорость и положение аппарата, может помочь NASA посадить первую женщину и следующего мужчину на Луну.

Технологии

• Удаленный неинвазивный тракер сердечной активности (RENCAT) — Этот лазерный виброметрический сенсор мониторит сердечную активность удаленно и неинвазивно; конкретно, функции клапанов/камер открытия и закрытия циклов (сердечные циклы). Устройство обеспечивает точную информацию о величине и времени удаленно от области сердца без помех от одежды пациента.

• Гидрофобное эпоксидное покрытие для митигации адгезии насекомых — Фторированные алкиловые эфиры, содержащие эпоксиды, служат антинасекомым покрытием. Надежное и долговечное покрытие было разработано для повышения эффективности самолетов, но может быть полезно в различных приложениях, где желательно снижение адгезии остатков насекомых, таких как в автомобильной и ветроэнергетической отраслях.

• Митигация молний и обнаружение повреждений — Патетованная технология сенсора SansEC — это проверенная беспроводная сенсорная платформа, способная измерять электрическое сопротивление физической материи вблизи сенсора на основе изменения его резонансного отклика. Сенсор демонстрирует уникальную характеристику рассеивания тока удара молнии для помощи в митигации повреждений от молний. В применении к лопатке турбины массив сенсоров SansEC покроет площадь поверхности композитной лопатки, обеспечивая и митигацию молний, и 감живание повреждений.

• Беспроводной температурный сенсор без электрических соединений — Этот сенсор не требует электрического соединения и построен на платформе сенсора SansEC, которая использует преимущества измерения диэлектрических изменений. Сенсор устойчив к повреждениям, гибок, точен и недорог. Одно из перспективных применений — датчики температуры шин.

• Тестовая станция 3D-принтера — Разработана тестовая станция, способная к in-situ тестированию отложения материала и адгезии слоев в экструзионном аддитивном производственном процессе. Технология решает проблему мониторинга качества детали в процессе 3D-печати. Новизна в том, что тестирование происходит in-situ по мере построения компонента.

• Беспроводной сенсор для фармацевтической упаковки и мониторинга — Сенсор SansEC может использоваться для фармацевтических приложений без необходимости физического контакта. Многие атрибуты контейнера могут быть отслежены, такие как уровень жидкости или порошка, температура содержимого и изменения, вызванные порчей. Вскрытие также может быть обнаружено.

Передача технологий

Технические знания и данные Научного центра Лэнгли доступны лицензиатам для коммерциализации. Свяжитесь с консьержем лицензирования NASA по адресу (защищенный от спам-ботов email) или позвоните по телефону 202-358-7432 для начала обсуждений лицензирования. Узнайте больше о NASA Лэнгли здесь .