BOLT II:德州农工大学学生帮助推进高超音速研究

德克萨斯农工大学正在领导一项广泛合作的科学任务的第二阶段，以更好地了解高超音速飞行的要素。BOLT II是一种亚轨道探空火箭，旨在提供高超声速飞行过程中边界层湍流(BOLT II)的信息。

这次飞行实验由美国空军研究实验室(AFRL)/空军科学研究办公室(AFOSR)管理，于3月21日在弗吉尼亚州的美国宇航局沃洛普斯飞行设施发射。这次成功的10分钟飞行带来了新的科学数据，进一步加深了我们对高超音速条件下阻力和加热的理解。

德克萨斯A&M大学航空航天工程系教授罗德尼·鲍尔克斯博士担任这项工作的首席研究员。Drs。航空航天工程系的教授海伦·里德(Helen Reed)和爱德华·怀特(Edward White)是这些项目的共同pi。航空航天工程研究生Heather Kostak, Bryan Morreale, John Wirth, Daniel Mullen和Eric Swinny都在实验的三个阶段发挥了不可或缺的作用。

鲍尔索斯说:“这个项目为学生和教师提供了一个很好的机会，让他们更好地了解成功飞行实验所需的步骤、团队合作和对细节的关注。”“这个团队每周与空军、卡尔斯潘-布法罗大学研究中心(CUBRC)、美国宇航局和美国宇航局探空火箭操作联络中心进行互动。结果是一次成功的高超音速飞行实验，我为整个团队感到无比自豪。”

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在发射前需要回答的最重要的问题之一是火箭会直线飞行吗?据航空航天工程系的博士生Bryan Morreale说，这个问题比人们想象的要难回答。特别是因为BOLT II的独特几何形状。

“我的主要贡献是研究整个飞行系统的外部空气动力学，”莫雷尔说。“我和另一名研究生埃里克·斯维尼(Eric Swinny)建立了空气动力学数据库，以确定火箭的飞行性能。”

Morreale和Swinny与NASA Wallops和约翰霍普金斯大学应用物理实验室(JHUAPL)的专家密切合作，以确定BOLT II的飞行稳定性。

莫雷尔说:“关于BOLT II最重要的一点是，这是一个非机密问题，需要整个社区共同努力解决。”“我进入这个行业的时候知识有限，但离开时，我知道了很多令人难以置信的东西，因为我接触到了这个国家最优秀、最聪明的工程师，他们正在研究这些问题。”

莫雷尔也是帮助确定400多个传感器和仪器安装位置的关键人物。

他说:“我们有火箭，在火箭的末端，我们有BOLT II有效载荷，它有这些掠前缘。”“边缘导致空气冲进来，形成一个非常复杂的流动模式，所以仪器设计师想要的是大致了解空气在飞行中的特定时刻会做什么。”

为了帮助他们确定在飞行过程中捕获信息的最佳方式，他开发了更高保真度的流体动力学模拟，可以解释飞行器表面的流动是什么样子。

奠定基础

400多个传感器的放置对飞行任务的成功至关重要。为了从这个实验中获得丰富的数据，飞行器有两种不同的仪器布局。飞行器的一侧被设计用来捕捉飞行过程中对湍流的自然破坏。另一侧作为行程侧，在高超音速飞行过程中捕获强制过渡和湍流的数据。

希瑟·科斯塔克(Heather Kostak) 16、20、22岁，曾是航天工程系的学生，她负责对自然面进行仪器检测，大部分传感器都将安装在自然面。她查看了地面测试数据和模拟，以便为仪器布局提供信息。

Kostak说:“我们首先在德州农工大学的风洞里进行了测试，在一个粗略的3d打印模型上，我们看到了故障。”“这一分解告诉我们，我们需要在该地区放置仪器，看看存在什么样的模式增长和不稳定。”

她还依赖于Morreale和Mullen对层流和湍流的模拟数据，以及JHUAPL的结果和她之前在BOLT上工作的知识。

在对整个飞行器进行仪器测试后，Kostak和他们的团队前往纽约，在CUBRC对全尺寸飞行器进行测试。

科斯塔克说:“我们测试了整个飞行器和所有的仪器，这是以前没有做过的，所以这是一个真正独特的机会，成为其中的一部分。”

由于他们能够在CUBRC的设施中复制预期的BOLT II飞行条件，研究人员现在有机会比较飞行实验和地面测试之间更精确的数据。

科斯塔克说:“这就是全部情况。“飞行数据与我们的模拟和地面测试工作相比如何?我们能预测到底是什么导致了飞行器上的乱流吗?这就是我好奇的地方，因为这将影响航空航天业。”

收集数据

BOLT II的成功发射为团队开始处理和分解带来了前所未有的数据。空军第一中尉约翰·沃斯是航空航天工程系的博士生，他是第一批看到这些信息的人之一。

“我们有一些很好的数据，我真的很高兴看到它们是如何排列的，”沃斯说。“你有这个复杂的3D几何形状，有很多事情要做，所以第一步就是看看飞行轨迹。”

Wirth的作用是从飞行测试中获取指数级的数据，并将其简化为可用的信息。他正在与AFRL、NASA和CUBRC的合作伙伴一起确定攻角、马赫和高度。他的职责是将飞行数据通过3D热流分析进行分析，这是他博士研究的一部分。

他说:“如果我们能够验证我们的理论，并真正理解物理原理，那么我们就可以做出更好的工程决策，实现下一代高超音速。”

BOLT II的数据为高超声速界提供了期待已久的答案，并为新发现打开了大门。对于Wirth来说，与合作团队一起直接处理飞行实验数据的机会是一种独特的有益体验。

沃斯说:“作为国家队的一员，为整个国家做一些重要的事情，感觉很好。”“在一天结束的时候，这绝对会给你带来很大的满足感。”

德州农工大学是第一所领导飞行测试的大学。科学任务的主要合作伙伴包括CUBRC、美国国家航空航天局、明尼苏达大学、美国空军学院、马里兰大学、亚利桑那大学和JHUAPL。

AFOSR高速空气动力学项目负责人Sarah Popkin说:“看到学生们在BOLT II飞行实验的关键元素上脱颖而出，真是太棒了。”“计算流体动力学模拟传感器的位置，以追求科学和数据后处理都被证明对我们的成功非常重要。这些学生和这个项目是AFOSR如何促进劳动力发展、能力建设和培养下一代科学家和工程师的一个很好的例子。”