Túneis de vento hipersônicos explicados

Palavras de Eric Tegler

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 Universidade de Purdue, Joseph Jewell diz: "Nenhuma instalação no solo pode reproduzir todos os aspectos do vôo atmosférico hipersônico".

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 a chave 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. Os túneis silenciosos são assim chamados porque são capazes de fluir o ar em velocidades hipersônicas sem a turbulência criada pela camada limite que se desenvolve nessas 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 um aumento significativo no arrasto viscoso e no fluxo de calor, levando a severas restrições no desempenho e proteção térmica de veículos hipersônicos.Purdue construiu um dos primeiros túneis silenciosos não pertencentes à NASA, o Boeing / AFOSR Mach-6 Quiet Tunnel, no final dos anos 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.