Túneis de vento hipersônicos

Palavras de Eric Tegler

À medida que 2021 se aproximava do fim, relatos de que a China iria em breve revelar um túnel de vento hipersónico avançado capaz de simular objectos voando a Mach 30 provocaram alarme no Ocidente e afirmações de especialistas de que tal túnel não está realmente no horizonte.

Mesmo que o suposto túnel JF-22 com potência de 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 diz Joseph Jewell, professor de aeronáutica e astronáutica da Purdue University: “Nenhuma instalação no solo pode reproduzir todos os aspectos do voo atmosférico hipersônico”.

A Purdue University tem um departamento de pesquisa hipersônica de longa data e um novo Centro de Pesquisa Hipersônica e Aplicada (HARF) em construção em seu campus em West Lafayette, Indiana. São emblemáticos de um esforço, particularmente nos EUA, para dissuadir as armas hipersónicas chinesas e russas existentes e emergentes, através do contra-desenvolvimento e da colocação em campo de centenas de armas hipersónicas de diferentes tipos até 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 abrangem mísseis de planagem impulsionados por foguete Mach 10 até mísseis de cruzeiro de respiração aérea Mach 5 sobre a mesa.

Dada a urgência da investigação hipersónica, existe uma procura de instalações de teste e desenvolvimento, particularmente túneis de vento hipersónicos avançados. Eles são fundamentais para entender como configurar projéteis para suportar as temperaturas sem precedentes e o fluxo de ar ao redor dos 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 foram concebidas e construídas entre as décadas de 1950 e 1970, quando a América investiu pesadamente no desenvolvimento de mísseis e no Programa Espacial. Os túneis podem produzir fluxos hipersônicos frios, com alta perturbação, pequenos e relativamente curtos.

Embora esses túneis sejam bons para pesquisa básica e uma abordagem compartimentada para resolver problemas de voo hipersônico, eles não podem produzir simultaneamente perturbações quentes e baixas 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 EUA que podem produzir as qualidades acima, individualmente ou separadamente. Estes avançados túneis de vento hipersónicos e os seus antecessores mais tradicionais são partes críticas da infra-estrutura nacional nos EUA e na Europa.

Os alunos trabalham durante o verão no silencioso túnel de vento Mach 6 de Purdue. Um túnel de vento silencioso Mach 8 mais avançado fará parte do novo edifício de pesquisa hipersônica 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 ar em velocidades hipersônicas sem a turbulência criada pela camada limite que se desenvolve em tais velocidades. O Centro de Pesquisa Langley da NASA desenvolveu os primeiros túneis de vento silenciosos para pesquisas supersônicas e hipersônicas na década de 1980. Eles abordam um dos principais desafios na pesquisa de fluxo hipersônico – a previsão precisa da transição.

A transição ocorre 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 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 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 um bocal convergente-divergente controlado por um diafragma ou válvula – desenvolvido pela primeira vez na década de 1950.