Por meio de um contrato de Pesquisa Inovadora para Pequenas Empresas (SBIR) concedido pela Marinha dos EUA à MetroLaser, Inc., um sistema está sendo desenvolvido para medir a velocidade do gás de exaustão dos motores para ajudar a encontrar maneiras de reduzir o ruído das aeronaves.
Bernie Williamson, gerente de projeto da Força Aérea dos Estados Unidos, explicou que em novembro a equipe da MetroLaser usou o banco de testes do motor General Electric J85 (propulsor que impulsiona caças F-5, entre outras aeronaves), mantido pelo Complexo de Desenvolvimento de Engenharia de Arnold (AEDC) no Instituto Espacial da Universidade do Tennessee, perto da Base Aérea de Arnold, para estudar seu velocímetro Doppler planar de três componentes, ou PDV.
O PDV é um sistema para medições ópticas e não intrusivas da velocidade do gás na exaustão de um motor.
Membros da MetroLaser e da Marinha colaboraram em vários outros programas com o AEDC, o que os ajudou a decidir usar a Instalação de Pesquisa de Propulsão (PRF – Propulsion Research Facility) para essa pesquisa específica.
“As instalações de teste de motores na Propulsion Research Facility foram vitais para o sucesso do programa MetroLaser SBIR”, disse o Dr. David Mayo, engenheiro mecânico da Marinha dos EUA e ponto de contato técnico da MetroLaser. “Os engenheiros e a equipe da PRF forneceram suporte crucial para os testes de validação da tecnologia PDV da MetroLaser.”
Dr. Robert Howard, especialista em instrumentação e diagnóstico, observou que a MetroLaser e a Marinha sabiam que a PRF seria “uma excelente oportunidade de baixo custo para demonstrar essa técnica de medição em um motor de turbina em escala real”.
Ele acrescentou que o interesse da Marinha no PDV decorre da necessidade de entender a distribuição de velocidade nos escapamentos de motores a jato como chave para o desenvolvimento de estratégias para reduzir o ruído das aeronaves.
“As medições são necessárias para comparação com os modelos de campo de fluxo de exaustão do motor”, disse Howard. “Os métodos de medição atuais envolvem sondas intrusivas ou métodos ópticos que exigem a semeadura do fluxo com partículas. O método óptico desenvolvido pela MetroLaser se baseia nas partículas de fuligem já existentes no escapamento e, assim, torna essa técnica de medição mais versátil para realizar medições de velocidade em motores e aeronaves.”
Com um feixe de laser expandido iluminando uma faixa do campo de fluxo do escapamento, a abordagem da MetroLaser baseia-se na medição da luz do laser espalhada com três sistemas de câmeras estrategicamente posicionados montados fora do escapamento.
“Filtros de iodo especializados são então utilizados para ajudar a discernir a mudança de frequência Doppler da luz de laser espalhada que ilumina os sistemas de câmera”, disse Howard. “A mudança na frequência do laser resulta da luz do laser sendo espalhada por partículas de fuligem de alta velocidade no escapamento.”
Brad Besheres, engenheiro de operações de teste do motor J85 no AEDC, mencionou que o teste realizado em novembro de 2021 foi, na verdade, o segundo de um esforço de duas fases no processo.
“No outono de 2020, o AEDC ajudou a MetroLaser a instalar e avaliar o desempenho de um sistema básico de laser e câmera que compreende os componentes do sistema PDV nas proximidades do ambiente acústico de vibração relativamente severa do motor a jato operado em sua faixa de potência, de ocioso até operações de pós-combustão”, disse Besheres. “As informações e lições aprendidas desse teste foram usadas para projetar uma estrutura de montagem para a demonstração final, o que levou a uma campanha de teste muito bem-sucedida que forneceu à MetroLaser amplos dados para declarar uma demonstração bem-sucedida do sistema PDV ao patrocinador, a Marinha.”
O PDV também pode ser aplicado a medições do movimento de objetos sólidos sempre que houver vantagens exclusivas no uso de direcionamento de laser localizado e na discriminação espacial fornecida por imagens de campo de velocidade.
Os exemplos incluem as trajetórias de voo individuais e as velocidades de rotação ou queda de múltiplos alvos, as velocidades locais de peças de máquinas em movimento e o movimento de alvos biológicos.
No caso de medições em objetos sólidos onde o caminho do movimento é conhecido, apenas um único sistema de câmera é necessário para obter a velocidade completa ao longo da trajetória e a iluminação do laser pode ser volumétrica, em vez de uma folha de luz.
Informações da Base da Força Aérea de Arnold
