doi.org/10.1016/j.ast.2024.109144
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#Hipersônico
Estudo do túnel de vento revela que o fluxo hipersônico do motor a jato pode ser controlado opticamente
O Futuro das Viagens Espaciais
Jatos Hipersônicos: Pesquisadores da Universidade da Virgínia estão explorando o potencial dos jatos hipersônicos para viagens espaciais, usando inovações em controle de motores e técnicas de detecção.
O trabalho, apoiado pela NASA, visa melhorar o desempenho do scramjet através de sistemas de controle adaptativos e sensores ópticos, potencialmente levando a veículos de acesso espacial mais seguros e eficientes que funcionam como aeronaves.
E se o futuro das viagens espaciais se parecesse menos com a nave estelar baseada em foguete da Space-X e mais com o “Hyper-X? da NASA, o avião a jato hipersônico que, há 20 anos este ano, voou mais rápido do que qualquer outra aeronave antes ou depois? – Em 2004, os testes finais do protótipo não tripulado X-43A da NASA foram um marco na última era do desenvolvimento de jatos – o salto dos ramjets para os scramjets mais rápidos e eficientes.
O último teste, em novembro daquele ano, atingiu uma velocidade recorde mundial que só um foguete poderia ter alcançado anteriormente: Mach 10.
A velocidade equivale a 10 vezes a velocidade do som.
A NASA retirou muitos dados úteis dos testes, assim como a Força Aérea seis anos depois, em testes semelhantes no X-51 Waverider, antes de os protótipos caírem no oceano.
Embora a prova de conceito hipersônica tenha sido bem-sucedida, a tecnologia estava longe de estar operacional.
O desafio era conseguir o controle do motor, porque a tecnologia se baseava em abordagens de sensores com décadas de existência.
Avanços no controle do motor hipersônico
Este mês, no entanto, trouxe alguma esperança para potenciais sucessores da série X-plane.
Como parte de um novo estudo financiado pela NASA, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Virgínia publicaram dados na edição de junho da revista Aerospace Science and Technology que mostraram pela primeira vez que o fluxo de ar em motores a jato de combustão supersônica pode ser controlado por um sensor óptico.
A descoberta pode levar a uma estabilização mais eficiente de aviões a jato hipersônicos.
Além disso, os pesquisadores alcançaram o controle adaptativo de um motor scramjet, representando outra inovação na propulsão hipersônica.
Os sistemas adaptativos de controle do motor respondem às mudanças na dinâmica para manter o desempenho geral do sistema ideal.
“Uma de nossas prioridades aeroespaciais nacionais desde a década de 1960 tem sido construir aeronaves de estágio único para órbita que voem para o espaço a partir de decolagem horizontal como uma aeronave tradicional e pousem no solo como uma aeronave tradicional”, disse o professor Christopher Goyne, diretor do Laboratório de Pesquisa Aeroespacial da UVA, onde ocorreu a pesquisa.
“Atualmente, a nave mais moderna é a SpaceX Starship.
Possui dois estágios, com lançamento e pouso verticais.
Mas para otimizar a segurança, a conveniência e a reutilização, a comunidade aeroespacial gostaria de construir algo mais parecido com um 737.” Goyne e sua co-investigadora, Chloe Dedic, professora associada de Engenharia da UVA, acreditam que os sensores ópticos podem ser uma grande parte da equação de controle.
“Parecia-nos lógico que, se uma aeronave operasse em velocidades hipersônicas de Mach 5 e superiores, seria preferível incorporar sensores que funcionassem mais perto da velocidade da luz do que da velocidade do som”, disse Goyne.
Membros adicionais da equipe foram o estudante de doutorado Max Chern, que atuou como primeiro autor do artigo, bem como o ex-aluno de pós-graduação Andrew Wanchek, a estudante de doutorado Laurie Elkowitz e o cientista sênior da UVA, Robert Rockwell.
O trabalho foi apoiado por uma bolsa ULI da NASA liderada pela Purdue University.
Melhorando o desempenho do motor Scramjet
A NASA há muito procura evitar algo que pode ocorrer em motores scramjet chamado “desarranque”.
O termo indica uma mudança repentina no fluxo de ar.
O nome deriva de uma instalação de testes especializada chamada túnel de vento supersônico, onde um “início? significa que o vento atingiu as condições supersônicas desejadas.
A UVA possui vários túneis de vento supersônicos, incluindo o UVA Supersonic Combustion Facility, que pode simular as condições do motor de um veículo hipersônico viajando a cinco vezes a velocidade do som.
“Podemos executar condições de teste por horas, o que nos permite experimentar novos sensores de fluxo e abordagens de controle em uma geometria de motor realista”, disse Dedic.
Goyne explicou que “scramjets”, abreviação de ramjets de combustão supersônica, baseiam-se na tecnologia ramjet que tem sido de uso comum há anos.
Os Ramjets essencialmente “injetam? ar no motor usando o movimento para frente da aeronave para gerar as temperaturas e pressões necessárias para queimar combustível.
Eles operam em uma faixa de cerca de Mach 3 a Mach 6.
À medida que a entrada na frente da nave se estreita, a velocidade interna do ar diminui para velocidades subsônicas em um motor de combustão ramjet.
O avião em si, entretanto, não.
Os Scramjets são um pouco diferentes, no entanto.
Embora também “respirem ar? e tenham a mesma configuração básica, eles precisam manter aquele fluxo de ar super-rápido através do motor para atingir velocidades hipersônicas.
“Se algo acontecer dentro do motor hipersônico e condições subsônicas forem criadas repentinamente, será um fracasso”, disse Goyne.
“O empuxo diminuirá repentinamente e pode ser difícil reiniciar a entrada nesse ponto.”
Testando um motor Scramjet de modo duplo
Atualmente, assim como os ramjets, os motores scramjet precisam de um avanço para atingir uma velocidade em que possam consumir oxigênio suficiente para operar.
Isso pode incluir um passeio preso à parte inferior de um porta-aviões, bem como um impulso de foguete.
A inovação mais recente é um combustor scramjet de modo duplo, que foi o tipo de motor testado pelo projeto liderado pela UVA.
O motor duplo dá partida no modo ramjet em números Mach mais baixos e, em seguida, passa a receber fluxo de ar supersônico completo na câmara de combustão em velocidades superiores a Mach 5.
Evitar a partida enquanto o motor faz essa transição é crucial.
O vento que entra interage com as paredes da entrada na forma de uma série de ondas de choque conhecidas como “trem de choque”.
Tradicionalmente, a vanguarda dessas ondas, que podem ser destrutivas à integridade da aeronave, tem sido controlada por sensores de pressão.
A máquina pode ajustar, por exemplo, realocando a posição do trem de choque.
Mas o local onde reside a vanguarda do trem de choque pode mudar rapidamente se os distúrbios do voo alterarem a dinâmica do ar.
O trem de choque pode pressurizar a entrada, criando as condições para o arranque.
Portanto, “se você sente a velocidade do som, mas os processos do motor estão se movendo mais rápido que a velocidade do som, você não tem muito tempo de resposta”, disse Goyne.
Ele e seus colaboradores se perguntaram se um desligamento pendente poderia ser previsto observando as propriedades da chama do motor.
Detectando o espectro de uma chama
A equipe decidiu usar um sensor de espectroscopia de emissão óptica para obter o feedback necessário para controlar a ponta do trem de choque.
Não mais limitado às informações obtidas nas paredes do motor, como acontece com os sensores de pressão, o sensor óptico pode identificar mudanças sutis tanto dentro do motor quanto no caminho do fluxo.
A ferramenta analisa a quantidade de luz emitida por uma fonte – neste caso, os gases que reagem dentro do combustor scramjet – bem como outros fatores, como a localização da chama e o conteúdo espectral.
“A luz emitida pela chama dentro do motor se deve ao relaxamento de espécies moleculares que são excitadas durante os processos de combustão”, explicou Elkowitz, um dos doutorandos.
“Diferentes espécies emitem luz com diferentes energias, ou cores, oferecendo novas informações sobre o estado do motor que não são capturadas pelos sensores de pressão.” A demonstração da equipe no túnel de vento mostrou que o controle do motor pode ser tanto preditivo quanto adaptativo, fazendo uma transição suave entre o funcionamento do scramjet e do ramjet.
O teste em túnel de vento, de fato, foi a primeira prova mundial de que o controle adaptativo nestes tipos de motores de dupla função pode ser alcançado com sensores ópticos.
“Ficamos muito entusiasmados em demonstrar o papel que os sensores ópticos podem desempenhar no controle de futuros veículos hipersônicos”, disse o primeiro autor Chern.
“Continuamos testando configurações de sensores enquanto trabalhamos em um protótipo que otimize o volume e o peso do pacote para ambientes de voo.”
Construindo em direção ao futuro
Embora ainda haja muito trabalho sendo feito, os sensores ópticos podem ser um componente do futuro que Goyne acredita que será realizado durante sua vida: viagens semelhantes às de um avião ao espaço e de volta.
Os scramjets de modo duplo ainda exigiriam algum tipo de impulso para levar a aeronave a pelo menos Mach 4.
Mas haveria a segurança adicional de não depender exclusivamente da tecnologia de foguetes, que exige que combustível altamente inflamável seja transportado junto com grandes quantidades de produtos químicos.
oxidante para queimar o combustível.
Essa redução de peso permitiria mais espaço para passageiros e carga útil.
Uma aeronave tão completa, que deslizaria de volta à Terra como fizeram os ônibus espaciais, poderia até fornecer a combinação ideal de economia, segurança e reutilização.
“Acho que é possível, sim”, disse Goyne.
“Embora a indústria espacial comercial tenha conseguido reduzir custos através de alguma reutilização, ainda não capturou as operações semelhantes às das aeronaves.
Nossas descobertas poderiam potencialmente se basear na história do Hyper-X e tornar seu acesso ao espaço mais seguro do que a atual tecnologia baseada em foguetes.”
Publicado em 30/06/2024 03h02
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