À medida que 2021 chegava ao fim, relatos de que a China em breve revelaria um túnel de vento hipersônico avançado capaz de simular objetos voando a Mach 30 provocaram alarme no Ocidente e afirmações de especialistas de que nenhum túnel desse tipo está realmente no horizonte.

Mesmo que o suposto túnel JF-22 movido a 15 GW da China seja real, ele simplesmente não pode cobrir o espectro de desenvolvimento necessário na corrida para colocar em campo armas hipersônicas e aeronaves hipersônicas.Como professor de aeronáutica e astronáutica da Purdue University, Joseph Jewell diz: “Nenhuma instalação no solo pode reproduzir todos os aspectos do vôo atmosférico hipersônico”. Máquina de pulverização para mesa lateral de cama

A Purdue University tem um departamento de pesquisa hipersônico de longa data e um novo Centro de Pesquisa Hipersônica e Aplicada (HARF) em construção em seu campus de West Lafayette, Indiana.Eles são emblemáticos de um esforço, particularmente nos EUA, para impedir as armas hipersônicas chinesas e russas existentes e emergentes, contra-desenvolvendo e colocando centenas de armas hipersônicas de diferentes tipos em meados da década de 2020.

Em abril, Mark Lewis, diretor de pesquisa e engenharia para modernização do Departamento de Defesa dos EUA, confirmou a hipersônica como uma das principais prioridades do Pentágono.Os planos de desenvolvimento cobrem mísseis impulsionados por foguete de Mach 10 até mísseis de cruzeiro de ar de Mach 5 na mesa.

Dada a urgência da pesquisa hipersônica, há uma demanda por instalações de teste e desenvolvimento, particularmente túneis de vento hipersônicos avançados.Eles são fundamentais para entender como configurar projéteis para suportar temperaturas sem precedentes e fluxo de ar em torno de veículos hipersônicos durante o vôo.O limite para o que é considerado velocidade hipersônica é geralmente aceito em torno de Mach 5 e grandes túneis de vento hipersônicos são raros.A maioria das instalações existentes nos EUA foi projetada e construída entre os anos 1950 e 1970, quando os Estados Unidos investiram pesadamente no desenvolvimento de mísseis e no Programa Espacial.Os túneis podem produzir fluxos hipersônicos que são frios, de alta perturbação, pequenos e relativamente curtos.

Embora esses túneis sejam bons para pesquisa básica e uma abordagem compartimentalizada para resolver problemas de voo hipersônico, eles não podem produzir simultaneamente calor, baixa perturbação e fluxos longos em escala.Especialistas dizem que nada pode acontecer fora dos testes de voo reais.

Mas há um grupo pequeno e crescente de instalações nos Estados Unidos que podem produzir as qualidades acima individualmente ou separadamente.Esses túneis de vento hipersônicos avançados e seus antecessores mais tradicionais são partes críticas da infraestrutura nacional nos EUA e na Europa.

Os alunos trabalham durante o verão com o silencioso túnel de vento Mach 6 da Purdue.Um túnel de vento silencioso Mach 8 mais avançado fará parte do novo edifício de pesquisa hipersônico a ser construído em Purdue. (Purdue University/John Underwood)

Existem cinco tipos comuns de túneis de vento hipersônicos.Os túneis silenciosos são talvez o tipo mais procurado.Túneis silenciosos são assim chamados porque são capazes de fluir ar em velocidades hipersônicas sem a turbulência criada pela camada limite que se desenvolve em tais velocidades.O Langley Research Center da NASA desenvolveu os primeiros túneis de vento silenciosos para pesquisas supersônicas e hipersônicas na década de 1980.Eles abordam um dos maiores desafios na pesquisa de fluxo hipersônico – a previsão precisa da transição.

A transição é onde o fluxo de ar suave ou laminar através de uma superfície torna-se perturbado ou turbulento à medida que a velocidade do fluxo de ar aumenta.Tal transição gera aumento significativo no arrasto viscoso e no fluxo de calor, levando a severas restrições no desempenho e na proteção térmica dos veículos hipersônicos.Purdue construiu um dos primeiros túneis silenciosos não pertencentes à NASA, o Boeing / AFOSR Mach-6 Quiet Tunnel, no final da década de 1990.O túnel é baseado em um projeto de Tubo Ludwieg – um longo tubo cilíndrico a jusante de um grande tanque de ar e bocal convergente-divergente controlado por um diafragma ou válvula – desenvolvido pela primeira vez na década de 1950.

O interior da instalação de teste hipersônico na Estação Plum Brook da NASA (Imagem: NASA)

Um túnel silencioso extrai ou aspira o ar turbulento através de uma abertura de sangria no túnel.Isso produz um fluxo de ar mais suave e silencioso a jusante, onde passa sobre um artigo de teste, como uma entrada, asa ou fuselagem.Túneis não silenciosos, como o túnel de vento hipersônico Mach 6-plus HTFD na Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, que também é um projeto de tubo Ludwieg, produzem 2% ou mais de perturbação do fluxo de ar de seus bocais de fluxo.Isso significa efetivamente que os artigos de teste virtualmente voam através de um fluxo de ar com ruído indesejado, dificultando o isolamento de várias medições do fundo.

“Nossa superpotência”, diz Jewell, “é que, por meio de um projeto muito cuidadoso do túnel e décadas de trabalho, podemos produzir fluxos hipersônicos com cerca de 0,02% de perturbação do fluxo, basicamente 100 vezes menor.É muito mais representativo das condições que um veículo de voo real vê na atmosfera”.O túnel Mach 6 de Purdue ainda é o maior túnel de vento hipersônico silencioso do mundo, com um tempo de fluxo moderadamente longo de cerca de dois segundos.Tempo de fluxo mais longo permite que os engenheiros tenham mais oportunidades de medir e observar.Jewell aponta que “se o fluxo de ar está viajando a 1000 metros por segundo, em dois segundos um objeto de teste voou dois quilômetros no túnel de vento”.

O túnel silencioso tem sido usado consistentemente para investigação de física básica e desenvolvimento de modelagem hipersônica com objetos de teste, incluindo cones e artigos de geometria variada, muitas vezes representativos de formas de mísseis, colocados dentro de sua seção de teste de dois pés (0,60m) de diâmetro.Mais recentemente, objetos com superfícies de controle nocionais, como cunhas, foram examinados.

Jewell diz que os pesquisadores da Purdue têm avaliado dispositivos como jatos de controle de reação, capazes de apontar um veículo direcional.Dois projetos atuais financiados pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea estão analisando a instabilidade do fluxo de ar que se forma nos lábios de admissão.

O túnel silencioso Mach 6 logo será acompanhado por outros dois na nova instalação HARF de US$ 41 milhões e 65.000 pés2 em Purdue.Ele abrigará a única instalação de túnel silencioso hipersônico Mach 8 do mundo, que também é uma configuração Ludwieg Tube, bem como um sensor avançado de materiais e fabricação chamado HAMTC (Hypersonics Advanced Manufacturing Test Capability).

O HARF também hospedará um dos outros tipos principais de túneis hipersônicos, um túnel de choque de pulso hipersônico chamado HYPULSE.

Túneis de choque, às vezes chamados de túneis de expansão de explosão, usam válvulas ou diafragmas de explosão com uma liberação de ação rápida para enviar ondas de choque hipersônicas pelo túnel, permitindo o estudo de fluxos de alto número de Mach em artigos de teste por cerca de 0,5 a 5,0 milissegundos.“Por trás dessa onda de choque estão as condições que você está procurando”, diz Karen Berger, gerente de um túnel de vento hipersônico da NASA Langley, na Virgínia, EUA.

O Langley Research Facility da NASA abriga vários túneis subsônicos, transônicos, supersônicos e hipersônicos.Berger administra três túneis de vento hipersônicos em Langley.Capaz de fluir o ar a Mach 6 e Mach 10, eles foram construídos na década de 1960.Os túneis de descarga são o projeto de túnel hipersônico mais comum.

O HARF na Purdue University hospedará um dos principais tipos de túneis hipersônicos, um túnel de choque de pulso chamado HYPULSE (Foto: Northrop Grumman)

HYPULSE e outros túneis de choque, como o grande túnel de choque CUBRC Aerosciences Group em Buffalo, Nova York, o túnel de choque Arnold Engineering Development Complex da Força Aérea dos EUA em White Oak, Maryland, o T6 Stalker Tunnel (T6) do Reino Unido na Universidade de Oxford Osney Mead Estate e o túnel X3R atualizado na Universidade de Queensland, na Austrália, compartilham um layout de projeto básico com o túnel de descarga.Em um túnel de descarga, o processo de fluxo começa com o ar alimentado por um secador para eliminar as moléculas de água.Do secador, ele vai para uma câmara de alta pressão, onde a pressão aumenta à medida que é injetado por meio de uma bomba.Uma vez que a pressão alvo é atingida, uma válvula é aberta para permitir que o ar entre em um plenum que também é regulado em alta pressão.O ar então passa por um bocal convergente-divergente que se estreita na entrada e se alarga na saída.Isso acelera o ar de alta pressão à velocidade hipersônica.

O fluxo hipersônico viaja alguns metros adiante à medida que o túnel se alarga para uma seção de teste onde corre por qualquer artigo de teste que seja colocado nele.

O fluxo continua em outro bocal maior, onde desacelera e passa por um trocador de calor para resfriá-lo.O ar desacelerado entra em um plenum de saída e depois em uma câmara de baixa pressão.

À medida que o ar sai da câmara de alta pressão, a pressão na câmara diminui.Da mesma forma, conforme o ar entra na câmara de baixa pressão, a pressão naquela câmara aumenta.Eventualmente, a pressão nas duas câmaras se equaliza, o fluxo é interrompido e o teste é finalizado.O ar ou outro gás, como hélio ou nitrogênio, na câmara de baixa pressão, é retirado por meio de uma bomba de vácuo ou ejetor de fluxo e liberado na atmosfera ou recapturado para uso repetido.Os túneis de descarga são úteis para estudar a aerodinâmica hipersônica e o ambiente de aquecimento em torno de várias formas.

“Estamos analisando como o veículo voa e que tipo de ambiente de aquecimento aerodinâmico ele pode encontrar”, diz Berger.Os pesquisadores que usam o HYPULSE, que foi doado a Purdue pela Northrop Grumman em 2020, podem fazer o mesmo.

O HYPULSE também pode operar em um modo de choque refletido.Neste modo, uma onda de choque é criada por um pistão de alta velocidade ou, como no HYPULSE, uma detonação de gás acionador que atravessa um diafragma em um tubo de choque a jusante preenchido com um gás de teste.Quando a onda de choque irrompe no tubo de choque, ela se reflete em uma parede final, formando uma região estacionária de gás de teste em alta temperatura e pressão.O gás quente e de alta pressão resultante é então expandido através de um bocal até um número de Mach alvo e flui através de um artigo de teste.

No modo de choque refletido, o HYPULSE pode produzir fluxos hipersônicos de alta temperatura, mas apenas por uma duração muito curta de 1 a 10 milissegundos.Isso é usado para estudar a aerotermodinâmica do vôo hipersônico e desenvolver materiais/superfícies que possam lidar com isso.Mas para o tempo de teste, o HYPULSE não pode igualar o quarto tipo de túnel hipersônico - o Arc Jet.

Túneis hipersônicos de jato de arco, como este na Universidade do Texas em Arlington, passam ar super quente por objetos de teste para simular fricção em velocidades hipersônicas

Túneis hipersônicos de jato de arco fluem ar super quente, plasma, objetos de teste passados ​​para simular o atrito em velocidade hipersônica que faz com que as superfícies aqueçam até mais de 8.000 K (cerca de 15.000˚F).Eles podem fazer isso de segundos a minutos, por isso são uma ferramenta ideal e crítica para a engenharia de materiais hipersônicos.

A Universidade do Texas-Arlington concluiu um túnel hipersônico de jato de arco em 2019. Seu fluxo de gás de 3.000 a 5.000 K e a duração máxima de operação de 90 a 200 segundos significam que ele está em alta demanda por parte dos pesquisadores.Menos demanda, mas talvez a fidelidade mais alta de todos os túneis de vento hipersônicos seja o alcance balístico.Faixas balísticas são usadas para estudar aerotermodinâmica ou dinâmica de impacto.Em vez de fluir o ar hipersônico por um artigo de teste, o próprio objeto é impulsionado através do túnel.Como o modelo essencialmente voa livremente, os engenheiros não precisam compensar o fluxo em torno de um aparato de montagem, tornando os dados mais representativos do mundo real.A desvantagem reside em ter que disparar o objeto de teste por meio de uma mistura detonativa ou arma.Os objetos de teste podem não manter uma atitude desejada durante o voo, possivelmente balançando no túnel.O Ames Research Center da NASA e o Aberdeen Proving Ground do Exército operam túneis de alcance balístico.Como os objetos se movem através deles em alta velocidade, é difícil medir variáveis ​​como características de fluxo, separação, temperatura ou camadas limite.Fotografar o objeto de teste através de uma pequena janela enquanto ele passa é uma proeza de tempo e a oportunidade de colocar sensores no próprio artigo é limitada.

Em geral, o túnel hipersônico e a instrumentação do modelo podem ser discretos, por exemplo, termopares ou globais, como pinturas de superfície ou medições de campo de fluxo usando lasers.A instrumentação ajuda os engenheiros a entender as condições do túnel e o impacto das condições no modelo que está sendo testado.Isso pode incluir velocidade, densidade, pressão, aquecimento.

“Ultimamente você vê muito mais instalações indo para testes ópticos”, explica Berger.Tinta sensível à temperatura, sensores infravermelhos ou termografia de fósforo de duas cores ajudam os engenheiros a ver onde os pontos problemáticos em uma superfície podem se desenvolver.

O teste de voo real é obviamente o cadinho hipersônico mais real do mundo, mas é caro, difícil de obter imagens e geralmente emprega um pequeno número de sensores no veículo.A coleta de dados é limitada principalmente por larguras de banda de downlink insuficientes.Além disso, os veículos de teste muitas vezes não são recuperados.“Muitos deles simplesmente mergulham no oceano”, diz Jewell.

Hipersônico é simplesmente difícil.Como nenhuma instalação terrestre pode simular ou medir realisticamente todos os parâmetros do vôo Mach 5-plus, o Ocidente precisa de tantos tipos diferentes de túneis hipersônicos quanto possível.Isso significa fazer grandes investimentos.

A Universidade de Notre Dame está construindo o maior túnel silencioso Mach 6 da América, com uma seção de teste de 24 polegadas (60 cm) de diâmetro.Notre Dame coloca o preço em US $ 4,7 milhões.De acordo com Berger, você provavelmente precisaria de uma grande quantidade de imóveis para colocá-lo.O equipamento de suporte para os túneis hipersônicos é “muito barulhento”.E, acrescenta ela, o ar que sai de outro túnel hipersônico na NASA Langley - o túnel de alta temperatura de 8 pés - durante uma corrida é "muito alto!"

Comentários estão fechados.

Máquina de pulverização de peças de madeira © Copyright Mark Allen Group Limited 2020 |Todos os direitos reservados