NASA麦克风可利用次声探测数百英里外的湍流

非典型的麦克风

据外媒报道,无论是在飞机起飞的尾流中,还是在看似平静的空气中,没有什么问题比湍流对飞行更容易造成干扰。这些“水平龙卷风”不仅会让空中旅行变得不舒服,还可能带来危险,而且试图避开它们也会消耗大量的燃料。美国宇航局(NASA)的研究人员已经开发出了寻找这些区域的技术,通过一些工程上的独创性,他们可以彻底改变飞行计划和航空研究。

大气中的一切都能发出声音。但就像红外线由肉眼看不见的频率组成一样,有一种音频类似于次声(Infrasound)。次声是频率低于20Hz的声音,人耳无法听到,在0.001到20Hz之间。

飞行时有时会遇到的突发湍流被称为晴空湍流,之所以如此命名,是因为没有可见的云层或大气特征来警告这种干扰。看不见的湍流空气似乎会突然出现,对飞机造成严重破坏。虽然视觉上不易察觉,但晴空湍流具有明确的次声特征。NASA兰利研究中心的研究人员Qamar Shams和Allan Zuckerwar意识到,如果空中交通管制员或飞行员能在飞机遇到这些湍流之前就能监听到它们,就能规划出一条备用路线。

他们的实验从2007年开始,但不出所料,最初的测试表明,他们不能随便抓一个现成的麦克风,就指望它能对次声起作用。长波频率往往会被更高频率的声音所覆盖,从而导致干扰。

“我们发现,传感器会饱和,它们的表现并不好,”Shams说。“我们想,‘我们结合了仪器方面的专业知识,为什么不自己设计一个麦克风呢?’”

Shams和Zuckerwar开始开发能够高保真地聆听这些低频的东西。麦克风使用一个移动的振膜来获取音频,声波引起表面振动。研究人员使用了一个半径很宽的低张力振膜,并在其后面配上一个大的密封气室,使麦克风能够听到这些传播距离很远的超低声波。次声麦克风由纽约Depew的PCB Piezotronics公司根据与兰利的合同制造。传感器完成后,开始进行测试。当麦克风被放置在兰利跑道周围等距离的三角形图案时,它们能够接收并定位300多英里外宾夕法尼亚州上空的大气湍流。

进入蓝天

到2017年,Shams和Zuckerwar的技术已经获得了NASA年度商业发明奖,为国防部进行了地面测试,并在Sandia国家实验室进行了研究,以验证其性能,但它还没有在任何飞机上飞行。特拉华州路易斯的Stratodynamics公司对湍流探测的兴趣将很快改变这种状况。

公司创始人是2016年太空竞赛挑战赛的参与者,该挑战赛由推进创新中心与美国宇航局合作领导。Space Race是一项全球竞赛,向能够展示各种技术的应用和商业案例的团体提供许可证。Stratodynamics公司参加了多个类别的比赛,包括无人驾驶飞行器(UAV)控制系统。在该公司在无人飞行器竞赛中获得一等奖后,该团队应邀访问兰利,并会见了专利背后的研究人员。

“当我们在那里的时候,Shams正在倡导次声技术,”Stratodynamics的业务开发负责人Nick Craine说。

Stratodynamics公司认识到,麦克风系统作为飞行中湍流探测传感器具有很大的潜力,并寻找机会测试该技术。在从NASA获得专利授权后,在Shams的协助下,该公司开始在加拿大子公司Stratodynamics Aviation Inc.设计的名为HiDRON的无人平流层滑翔机上实施该传感器。

Stratodynamics公司已经将他们的气球发射的HiDRON滑翔机升到了超过10万英尺的高度,从这里慢慢地回到地球。在次声麦克风和风探头的协助下,无人机在远处测量其路径上的湍流强度,并可能检测到热柱,以使飞机航行更长时间。更多的工作正在进行中,以设计了解湍流特征的强度和范围所需的算法。

最近,初步测试中,该麦克风表现良好。即使有狂风从无人机旁呼啸而过,该团队也能将低频与环境条件隔离开来。Stratodynamics公司将进行更多的飞行测试,以进一步推动该技术的发展。该公司不仅将评估NASA开发的麦克风,还将作为肯塔基大学的一项补充湍流检测技术的飞行供应商,该技术得到了NASA飞行机会计划的支持。在这些测试结果出来之前,次声麦克风将成为Stratodynamics客户的标准技术选项。

Stratodynamics航空公司目前正与加拿大航天局和安大略省滑铁卢大学合作开发新版滑翔机。HiDRON亚轨道空间飞机将拥有更大的有效载荷能力,并将专门为在平流层的最佳性能而设计。

该团队希望次声麦克风提供的数据能够在探测和预测湍流、空中交通管制决策和航空路线规划中变得无处不在。通过使飞行的各个环节更容易避开湍流,在湍流空气周围航行时浪费的燃料就会减少,释放到大气中的二氧化碳也会减少。

“随着次声探测不断证明其作为一种湍流减缓技术的价值,其永远改变航空业格局的潜力随着每一次飞行而变得越来越强。”Craine说。

NASA向私营部门转让技术的历史由来已久。该机构的Spinoff出版物介绍了NASA的技术,这些技术已经转化为商业产品和服务,展示了美国对其太空计划的投资所带来的更广泛的利益。Spinoff是美国航天局空间技术任务局技术转让方案的一份出版物。

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