Įprastu greičiu skrendančiam lėktuvui lietus dažniausiai tėra nepatogus oras: lašas atsitrenkia į sparną, suyra ir žala būna minimali. Tačiau viršgarsiniu režimu situacija pasikeičia iš esmės, nes net milimetro dydžio vandens lašas gali virsti smūginiu sviediniu.
Bostono universiteto tyrėjų komanda, vadovaujama Sheryl Grace, modeliuodama smūgius parodė, kad viršijus maždaug 1 235 kilometrų per valandą greitį susidūrimo energija auga neproporcingai. Tokiu atveju net maža vandens dalelė gali ne tik išmušti įdubas, bet ir, kraštutinėmis sąlygomis, pažeisti konstrukciją iki pramušimo.
„Kuo didesnis aparato greitis, tuo daugiau žalos gali padaryti vienas lašas. Jis gali prasiskverbti tiesiai per konstrukciją“, – sakė Sheryl Grace.
Tyrėjų teigimu, rizika aktuali ne tik būsimiems viršgarsiniams keleiviniams lėktuvams, bet ir kapsulėms, grįžtančioms iš orbitos, privačioms raketoms bei kai kurioms gynybos sistemoms. Pavojingiausia fazė dažnai yra skrydis žemesniuose atmosferos sluoksniuose, kai aparatas dar išlaiko didelį greitį, bet tuo pat metu kerta debesis ir kritulių zonas.
Ankstesniuose sertifikavimo ir skaičiavimo modeliuose lietaus lašas dažnai buvo traktuojamas kaip vienalytis vandens rutuliukas, kurį laiko paviršiaus įtempimas. Bostono universiteto komanda pabrėžia, kad toks supaprastinimas gali nutylėti procesus, vykstančius lašo viduje, o būtent jie gali nulemti, ar smūgis baigsis paviršiaus erozija, ar rimtesniu pažeidimu.
Pagrindinis mechanizmas, į kurį atkreiptas dėmesys, yra kavitacija. Lietaus vandenyje būna mikroskopinių dujų burbuliukų, kurie, patekę į staigų slėgio šuolį, greitai susitraukia ir išsiplečia, sukeldami papildomus smūginius efektus. Panašus procesas seniai žinomas laivų sraigtų erozijoje, kai kavitacija ilgainiui ardo metalą.
Pasak tyrėjų, nuo to, kaip greitai lašas suyra ir kokiu greičiu jo fragmentai atsitrenkia į paviršių, priklauso žalos mastas. Jis gali svyruoti nuo smulkių įdubimų, primenančių mėnulio paviršių, iki konstrukcinio sluoksnio pramušimo, ypač jei medžiaga ar dangos nėra pritaikytos tokiems krūviams.
Skaičiavimai atliekami didelės spartos kompiuteriniuose klasteriuose, vienu metu derinant kelis skaitmeninius modelius, kad būtų atskirta reali fizika nuo skaitmeninių paklaidų. Užduotis sudėtinga, nes reikia aprašyti kelių fazių skysčių elgseną, labai skirtingus mastelius nuo mikroburbuliukų iki viso lašo ir staigius slėgio šuolius.
Komanda taip pat rėmėsi eksperimentais smūginėje vamzdžio sistemoje, lygindama įprastą vandenį su iš jo pašalintomis dujomis. Tokie bandymai leidžia tikrinti, kiek dujų burbuliukai ir kavitacija pakeičia lašo irimo dinamiką ir galutinį poveikį medžiagoms.
Tyrimus finansuoja JAV oro pajėgų mokslinių tyrimų padalinys Air Force Office of Scientific Research. Šio darbo tikslas kol kas nėra sukurti stebuklingą dangą ar nustatyti vieną saugią greičio ribą, o pateikti tikslesnį modelį, kuris padėtų prognozuoti, kada krituliai iš tikrųjų kelia riziką ir kokiomis sąlygomis skrydis tampa nepagrįstas.
Šis klausimas ypač svarbus, augant susidomėjimui viršgarsiniu civiliniu skrydžiu ir sparčiai besiplečiant privačių kosminių skrydžių sektoriui. Kuo daugiau transporto priemonių veiks ribinėmis aerodinaminėmis sąlygomis, tuo didesnę reikšmę turės ne tik varikliai ar aerodinamika, bet ir tokie iš pažiūros banalūs veiksniai kaip lietaus lašo struktūra.