Mikrofon NASA wykrywa turbulencje oddalone o setki mil

Niezależnie od tego, czy dzieje się to w wirach startujących samolotów, czy w pozornie spokojnym powietrzu, niewiele jest problemów bardziej zakłócających lot niż turbulencje.

Te „poziome tornada” mogą nie tylko sprawić, że podróżowanie samolotem będzie niewygodne i być może niebezpieczne, ale próby ich uniknięcia mogą pochłaniać duże ilości paliwa. Naukowcy z NASA opracowali technologię znajdowania tych stref i przy pewnej pomysłowości inżynieryjnej mogą zrewolucjonizować zarówno planowanie lotów, jak i badania lotnicze.

To nie jest Twój typowy mikrofon

Wszystko w atmosferze może wydawać dźwięk. Wulkany huczą, rozbijają się wodospady i pędzi powietrze, ale w tym dźwięku jest coś więcej niż to, co odbierają nasze uszy. Podobnie jak światło podczerwone składa się z częstotliwości niewidocznych gołym okiem, istnieje analog audio zwany infradźwiękami. Infradźwięki to tony zbyt niskie, aby mogły być słyszane przez ludzkie ucho, między 0,001 a 20 Hz.

Nagłe turbulencje, których czasami doświadczamy podczas latania, nazywane są turbulencjami bezchmurnego powietrza, nazwanymi tak, ponieważ nie ma widocznych chmur ani cech atmosferycznych, które ostrzegałyby o zakłóceniu. Burzliwe, niewidzialne powietrze może wydawać się znikąd i siać spustoszenie w samolotach. Choć nie jest to łatwe do wykrycia wizualnie, turbulencje w czystym powietrzu mają wyraźną sygnaturę infradźwięków. Badacze Qamar Shams i Allan Zuckerwar z Langley Research Center NASA w Hampton w Wirginii zdali sobie sprawę, że gdyby kontrolerzy ruchu lotniczego lub piloci mogli nasłuchiwać tych wirujących wirów, zanim napotkają je samoloty, można wytyczyć alternatywną trasę.

Ich eksperymenty rozpoczęły się w 2007 roku, ale, co nie jest zaskakujące, wstępne testy wykazały, że nie mogli użyć dowolnego gotowego mikrofonu i oczekiwać, że będzie on wychwytywał infradźwięki. Częstotliwości fal długich są zwykle zastępowane dźwiękami o wyższej częstotliwości, co powoduje zakłócenia.

„Odkryliśmy, że czujniki są nasycone i nie działają dobrze” – powiedział Shams. „Pomyśleliśmy: Połączyliśmy doświadczenie w zakresie oprzyrządowania, więc dlaczego sami nie zaprojektujemy mikrofonu?".”

Shams i Zuckerwar zaczęli opracowywać coś, co mogłoby słuchać tych niskich częstotliwości z dużą wiernością. Mikrofony wykorzystują ruchomą membranę do wychwytywania dźwięku, w którym fale dźwiękowe powodują wibracje powierzchni. Naukowcy zastosowali membranę o niskim napięciu o szerokim promieniu w połączeniu z dużą, szczelną komorą powietrzną znajdującą się za nią, aby umożliwić mikrofonowi słyszenie tych ultralekkich fal dźwiękowych, które przemieszczają się na duże odległości. Mikrofony infradźwiękowe są produkowane przez PCB Piezotronics z Depew w stanie Nowy Jork w ramach kontraktu z Langley. Po ukończeniu czujnika rozpoczęto testowanie. Kiedy mikrofony zostały ustawione w równej odległości w trójkątnym wzorze wokół terenu pasa startowego Langley, na niebie nad Pensylwanią były w stanie wykryć i zlokalizować turbulencje atmosferyczne w odległości ponad 300 mil.

◄ Mikrofon infradźwiękowy, który mógł wychwytywać ultralekkie częstotliwości generowane przez turbulencje na niebie. Ta technologia jest obecnie testowana na szybowcu Stratodynamics HiDRON zarówno pod kątem wykrywania turbulencji, jak i badań lotniczych. (fot. NASA)

W błękitne niebo

Do 2017 roku technologia firmy Shams i Zuckerwar zdobyła nagrodę NASA Commercial Invention of the Year, została przetestowana dla Departamentu Obrony i przebadana w Sandia National Laboratories w celu potwierdzenia jej wydajności, ale nie latała na pokładzie żadnego samolotu. Zainteresowanie wykrywaniem turbulencji ze strony Stratodynamics Inc. z Lewes w stanie Delaware wkrótce to zmieni.

Szybowiec HiDRON przenosi instrumenty naukowe w górne partie atmosfery (fot. Stratodynamics)

Założyciele firmy byli uczestnikami wyścigu kosmicznego 2016 Space Race Challenge, prowadzonego przez Centre for Advancing Innovation we współpracy z NASA. Space Race to ogólnoświatowy konkurs oferujący licencje grupom, które mogłyby zademonstrować aplikacje i przypadki biznesowe dla różnych technologii. Stratodynamics występował w wielu kategoriach, w tym w systemie sterowania bezzałogowych statków powietrznych (UAV). Po zdobyciu przez firmę pierwszej nagrody w konkursie UAV, zespół został zaproszony do odwiedzenia Langley i spotkania z badaczami odpowiedzialnymi za patenty.

„Kiedy tam byliśmy, Shams był orędownikiem technologii infradźwięków” – powiedział Nick Craine, kierownik ds. Rozwoju biznesu w Stratodynamics.

Stratodynamics zdała sobie sprawę, że system mikrofonowy ma znaczący potencjał jako czujnik wykrywania turbulencji podczas lotu i szukał możliwości przetestowania technologii. Po uzyskaniu licencji na patenty z NASA i przy wsparciu firmy Shams firma rozpoczęła wdrażanie czujnika na szybowcu stratosferycznym bez załogi, znanym jako HiDRON, zaprojektowanym przez jej kanadyjską spółkę Stratodynamics Aviation Inc.

Stratodynamics wyniósł szybowiec HiDRON na wysokość ponad 100 tys. stóp, skąd on powoli wróci na Ziemię. Z pomocą mikrofonu infradźwiękowego i sondy wiatru, UAV będzie mierzył intensywność turbulencji na swojej ścieżce lotu i może wykryć kolumny termiczne, aby utrzymać dłuższe szybowanie. Trwają dalsze prace nad zaprojektowaniem algorytmów potrzebnych do zrozumienia intensywności i zakresu sygnatury turbulentnej.

◄ Dzięki mikrofonom infradźwiękowym nasłuchującym niebo podróże lotnicze mogą stać się bezpieczniejsze i wydajniejsze. Kontrolerzy ruchu lotniczego byliby w stanie wykrywać warunki w czasie rzeczywistym, a samoloty mogłyby bezpiecznie omijać turbulencje z wyprzedzeniem. (fot. NASA / Paul E. Alers)

Niedawno wstępne testy wykazały, że mikrofon działa dobrze. Zespół był w stanie odizolować niskie częstotliwości od warunków otoczenia, nawet podczas gwałtownego wiatru wiejącego obok UAV. Stratodynamics przeprowadzi dodatkowe testy w locie, aby dalej rozwijać technologię. Firma nie tylko oceni mikrofon opracowany przez NASA, ale będzie również dostawcą lotów dla uzupełniającej technologii wykrywania turbulencji z University of Kentucky, który otrzymał wsparcie z programu Flight Opportunities NASA. W oczekiwaniu na wyniki tych testów mikrofon infradźwiękowy stanie się standardową opcją technologiczną dla klientów Stratodynamics.

Stratodynamics Aviation pracuje obecnie nad nową wersją szybowca we współpracy z Kanadyjską Agencją Kosmiczną i Uniwersytetem Waterloo w Ontario. Podorbitalny samolot kosmiczny HiDRON będzie miał większy udźwig i zostanie zaprojektowany specjalnie pod kątem optymalnej wydajności w stratosferze.

Zespół ma nadzieję, że dane dostarczane przez mikrofon infradźwiękowy staną się wszechobecne w wykrywaniu i prognozowaniu turbulencji, podejmowaniu decyzji przez kontrolę ruchu lotniczego i planowaniu tras lotniczych. Ułatwiając unikanie turbulencji na wszystkich etapach lotu, mniej paliwa jest marnowane podczas poruszania się po burzliwym powietrzu, a do atmosfery jest uwalniane mniej dwutlenku węgla.

„Ponieważ detekcja infradźwiękowa nadal udowadnia swoją wartość jako technologii łagodzenia turbulencji, jej potencjał do zmiany krajobrazu lotnictwa rośnie z każdym lotem” – powiedział Craine.