Aeronave hipersônica precisará de nova tecnologia de motor
“Passei minha carreira em coisas que voam rápido”, diz Adam Dissel, que chefia as operações dos motores de reação nos Estados Unidos.
Esta empresa britânica está construindo motores que podem operar a velocidades vertiginosas, em condições que derreteriam os motores a jato existentes.
A empresa deseja atingir a velocidade hipersônica, além de cinco vezes a velocidade do som, em torno de 4.000 mph (6.400 km / h) ou Mach 5.
A ideia é construir um transporte de passageiros de alta velocidade até os anos 2030. “Não precisa ser de Mach 5. Pode ser de Mach 4.5, que é a física mais fácil”, diz Dissel.
Nesse tipo de velocidade, você poderia voar de Londres a Sydney em quatro horas ou de Los Angeles a Tóquio em duas horas.
No entanto, a maioria das pesquisas sobre vôo hipersônico não é para a aviação civil. Tem origem nas forças armadas, onde houve uma explosão de atividade nos últimos anos.
‘Zoo de sistemas’
James Acton é um físico britânico que trabalha para o Carnegie Endowment for International Peace em Washington. Analisando os esforços dos EUA, China e Rússia em armas hipersônicas, ele conclui que “há todo um zoológico de sistemas hipersônicos na prancheta”.
Materiais especiais que podem suportar o calor extremo criado em torno de Mach 5, e uma série de outras tecnologias, estão tornando possível o vôo hipersônico na atmosfera da Terra.
Agora, potências rivais estão se esforçando para criar armas que possam permanecer na atmosfera, sem a necessidade de utilizar as propriedades de resfriamento do espaço sideral, e que possam ser manobradas – ao contrário de um ICBM estático voltado para uma cidade – em direção a um alvo que pode estar se movendo.
Carrier-killers
Os gastos militares estão impulsionando o impulso hipersônico dos três grandes jogadores nacionais.
Em um recente briefing à mídia do Pentágono, Mike White, diretor assistente de hipersônica nas forças armadas dos EUA, falou sobre o desenvolvimento sendo impulsionado por “nossos concorrentes de grande potência e suas tentativas de desafiar nosso domínio de domínio”
China exibiu sua arma hipersônica em um desfile em 2019
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A precisão é um grande desafio para esses mísseis hipersônicos.
A mera posse de mísseis hipersônicos, apelidados de “exterminadores de porta-aviões”, pode forçar os porta-aviões americanos a ficarem longe da costa chinesa no meio do Pacífico.
Mas atingir um porta-aviões com propulsão nuclear viajando a 30 nós ou mais (35 mph ou 56 km / h) requer ajustes finos no curso de um míssil que são difíceis de alcançar a Mach 5.
O calor gerado ao redor da cobertura externa de um míssil cria uma cobertura de plasma, ou matéria gasosa, em velocidades hipersônicas.
Isso pode bloquear os sinais recebidos de fontes externas, como satélites de comunicação, e também pode cegar os sistemas de mira internos que tentam ver para fora para localizar um objeto em movimento.
O nariz de uma aeronave hipersônica teria que suportar temperaturas extremas
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O plasma só se acumula onde a temperatura mais alta é encontrada.
Um míssil de formato cônico terá um revestimento uniforme de plasma, mas mísseis que se assemelham a dardos de asas elegantes podem empurrar essa tela de plasma para longe das superfícies que contêm as antenas mais sensíveis.
Mandíbulas de tubarão
Como se o vôo hipersônico não fosse difícil o suficiente, a dissociação química aumenta os problemas.
Em velocidades e temperaturas extremas, esse fenômeno faz com que as moléculas de oxigênio se decomponham em seus átomos constituintes.
Isso, por sua vez, complica o modelo químico no qual qualquer motor que respira ar se baseia.
O progresso na corrida armamentista hipersônica foi dramático. Em 2010, os Estados Unidos pilotaram uma aeronave não tripulada com mandíbula de tubarão em um trecho do Oceano Pacífico em velocidades hipersônicas por cinco minutos.
O objetivo era mais do que velocidade. Já era tempo.
Cinco minutos pode não parecer um longo tempo de vôo, mas em termos de derrotar as barreiras hipersônicas foi um triunfo.
Esta máquina de velocidade, o X-51A, foi lançado de um bombardeiro B-52 de alto vôo e usou um foguete de reforço para atingir Mach 4.5 antes de seu motor principal entrar em ação.
O X-15 foi um pioneiro dos anos 1960
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Conhecido como scramjet, esse motor combinava a entrada de ar em uma entrada irregular com combustível de aviação – para acelerar a velocidades hipersônicas.
Isso significava lidar por vários minutos com a temperatura do ar entrando na entrada de 1.000 ° C. Quatro X-51As eventualmente fizeram uma viagem só de ida sobre o Pacífico entre 2010 e 2013.
Ondas de choque
Aerojet Rocketdyne é um especialista em motores espaciais e de foguetes da Califórnia que trabalhou no X-51A. É uma medida do sigilo que cerca essa tecnologia que sua equipe só falará sob condição de anonimato, mesmo sete anos após o término do projeto.
Um especialista em hipersônica da empresa diz sobre o X-51A: “A parte realmente quente da máquina está na frente, onde as ondas de choque se formam, então é para onde vai o investimento em materiais”.
Ele diz que muito se aprendeu com o avião-foguete X-15 da década de 1960 e com o programa do ônibus espacial subsequente.
A Reaction Engines desenvolveu um pré-resfriador para resfriar o ar que entra no motor
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Reaction Engines demonstrou agora um processo que deve permitir que seu motor aero ingerir ar hipersônico superaquecido sem soluços.
Seu motor Sabre incorpora o que chama de “pré-resfriador”. Esta é a primeira parte do motor a encontrar o ar quente hipersônico.
O desafio então é misturá-lo com combustível para criar empuxo.
Tão quente quanto lava
O motor Sabre foi submetido a um regime intensivo de testes em uma unidade do Colorado em outubro de 2019, durante o qual os motores de reação tiveram que encontrar uma maneira de replicar as velocidades hipersônicas do ar.
A empresa pegou um motor supersônico, prendeu-o com pregos e canalizou o ar que saía de sua parte traseira para a entrada do motor Sabre.
O pré-resfriador Sabre fez seu trabalho, canalizando o refrigerante para o sistema em alta pressão e permitindo que o Sabre misturasse o ar com o combustível.
Os materiais necessários aqui não são simples.
O ônibus espacial dependia de telhas compostas de alta temperatura para protegê-lo durante a reentrada incandescente na atmosfera da Terra. Mas isso exigia uma manutenção extensa entre os voos, que é impraticável para um transporte comercial.
A Força Aérea dos Estados Unidos está avaliando um possível jato presidencial hipersônico
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Uma abordagem alternativa é empregar uma liga de níquel chamada Inconel, que pode lidar com o fluxo de ar aquecido com a mesma intensidade do fluxo de lava.
Dissel disse que os motores de reação agora estão seguindo essa rota de liga Inconel. “É mais ou menos onde estamos agora, e também abrindo canais de resfriamento para minar o calor”, diz ele.
Portanto, um sofisticado sistema de gerenciamento térmico combinado com o Inconel aponta o caminho a seguir.
Líderes hipersônicos
Se essa combinação funcionar, a visão de pagar passageiros em um voo hipersônico pode se tornar uma realidade em 15 anos.
O potencial da viagem hipersônica para permitir que os VIPs cheguem com o máximo impacto foi identificado pela unidade da Força Aérea dos Estados Unidos que lida com jatos presidenciais.
A empresa contratou a startup hipersônica Hermeus, com sede em Atlanta, para avaliar um projeto de transporte Mach 5 para até 20 passageiros.
Isso significa que, no futuro, o presidente dos Estados Unidos pode um dia se juntar a um seleto grupo de viajantes Mach 5.