Uma detonação sem fim pode ser a chave para o vôo hipersônico e os aviões espaciais que podem voar perfeitamente da Terra para a órbita. E agora, os pesquisadores recriaram o fenômeno explosivo no laboratório que poderia tornar isso possível.
As detonações são um tipo de explosão particularmente poderoso que se move para fora mais rápido do que a velocidade do som. A enorme explosão que abalou o porto de Beirute, no Líbano, em agosto passado, foi uma detonação, e a destruição generalizada que causou demonstra a enorme quantidade de energia que eles podem produzir.
Os cientistas há muito sonham em construir motores de aeronaves que possam aproveitar essa energia; tal nave poderia teoricamente voar de Nova York a Londres em menos de uma hora. Mas as detonações são incrivelmente difíceis de controlar e normalmente duram menos de um microssegundo, então ninguém foi capaz de torná-las realidade.
Agora, uma equipe da University of Central Florida criou uma configuração experimental que permite sustentar uma detonação em uma posição fixa por vários segundos, o que os pesquisadores dizem ser um grande passo em direção a futuros sistemas de propulsão hipersônica.
“O que estamos tentando fazer aqui é controlar a detonação”, disse Kareem Ahmed, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial da University of Central Florida e principal autor de um novo artigo sobre a pesquisa publicado segunda-feira (10 de maio ) na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Queremos congelá-lo no espaço e aproveitar essa energia. Em vez de destruir edifícios, como você viu no Líbano, agora quero usá-lo e produzir impulso com ele”, disse Ahmed ao Live Science.
“Se pudermos fazer isso, podemos viajar super rápido.”
A descoberta foi construída em décadas de pesquisa em um sistema de propulsão teórico chamado de motor de onda de detonação oblíqua (ODWE).
O conceito funciona canalizando uma mistura de ar e combustível em velocidades hipersônicas (mais de cinco vezes a velocidade do som) em direção a uma rampa, que cria uma onda de choque. Essa onda de choque aquece rapidamente a mistura ar-combustível e faz com que ela detone, lançando gases de escapamento da parte de trás do motor em alta velocidade. O resultado? Muito impulso.
Quando uma mistura de ar e combustível detona dessa maneira, a combustão resultante é mais eficiente, pois quase 100% do combustível é queimado. A detonação também gera muita pressão, o que significa que o motor pode gerar muito mais empuxo do que outras abordagens.
Em teoria, essa detonação deveria ser capaz de impulsionar uma aeronave em até 17 vezes a velocidade do som, dizem os pesquisadores, o que poderia ser rápido o suficiente para a espaçonave simplesmente voar para fora da atmosfera, em vez de precisar de uma sustentação em foguetes .
O desafio é sustentar a detonação por tempo suficiente para impulsionar esse vôo, e as demonstrações experimentais anteriores atingiram o máximo em apenas alguns milissegundos. A principal dificuldade, disse Ahmed, está em evitar que a detonação viaje rio acima em direção à fonte de combustível, onde pode causar sérios danos, ou mais a jusante, onde desaparecerá.
?Sempre houve a questão de, ‘Bem, se você está segurando por um milissegundo ou mais, você apenas o segurou temporariamente?'” Disse Ahmed. “Você não sabe se estabilizou ou não.”
Para ver se eles poderiam melhorar o recorde anterior, Ahmed e seus colegas construíram uma série de câmaras de aproximadamente 2,5 pés (0,76 metros) de comprimento que mistura e aquece ar e gás hidrogênio antes de acelerá-lo a velocidades hipersônicas e dispará-lo em uma rampa .
Equilibrando cuidadosamente as proporções da mistura ar-combustível, a velocidade do fluxo do gás e o ângulo da rampa, eles foram capazes de gerar uma detonação que permaneceu fixa na posição por cerca de 3 segundos.
Isso é tempo suficiente para confirmar que a detonação foi estabilizada em uma posição fixa e não estava viajando a montante ou a jusante, disse Ahmed, o que é um primeiro e importante passo para a realização de um ODWE na vida real.
Frank Lu, professor de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade do Texas em Arlington, especializado em motores baseados em detonação, disse que demonstrar uma detonação estável é uma conquista significativa. Para desenvolver um motor prático, os pesquisadores agora terão que descobrir como operar em uma gama de velocidades e altitudes e lidar com as instabilidades de combustão causadas por coisas como a mistura desigual do combustível e do ar.
“Acho que os pesquisadores fizeram um excelente trabalho e aguardamos novos resultados”, disse Lu ao Live Science.
Os pesquisadores realizaram o experimento por apenas alguns segundos, principalmente porque a intensidade da detonação corrói rapidamente os lados de vidro da câmara de teste, explicou Ahmed. Eles tiveram que usar vidro em seus testes iniciais para que pudessem fazer medições ópticas da detonação, mas se eles fossem substituí-los por lados de metal, eles deveriam ser capazes de detonar por muito mais tempo, disse ele.
E, de forma promissora, Ahmed disse que a estrutura do aparelho de teste não é muito diferente do design de um ODWE em escala real. O principal desafio para os pesquisadores agora é descobrir como eles podem alterar os três ingredientes principais da mistura de combustível, velocidade do ar e ângulo de rampa, mantendo a estabilidade da detonação.
“Agora, demonstramos que é viável, é mais um problema de engenharia explorar como sustentá-lo em um domínio operacional maior”, disse Ahmed.
Publicado em 15/05/2021 15h35
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