inoticia

Noticias De Actualidad
Este cohete salvaje podría ayudar a hacer realidad el viaje hipersónico

El experimento de vuelo hipersónico BOLT II se lanzará el lunes por la noche desde las instalaciones de vuelo de prueba Wallops de la NASA en Virginia.

Los vehículos hipersónicos, que pueden volar mucho más rápido que los aviones de pasajeros, permitirían a los pasajeros ir de Sydney a Los Ángeles, por ejemplo, en solo un par de horas.

También podrían ofrecer opciones más flexibles para lanzar cargas útiles al espacio que los cohetes convencionales y su velocidad y maniobrabilidad significa que también tienen una variedad de posibles usos militares tácticos.

Rusia y China ya afirman tener misiles hipersónicos operativos, pero la aviación hipersónica de pasajeros sigue siendo un sueño más que una realidad.

Sin embargo, ya existen varios tipos de vehículos hipersónicos, incluidos cohetes, vehículos de entrada planetaria como la cápsula Dragon de SpaceX y misiles balísticos intercontinentales.

¿Qué es el vuelo hipersónico?

El vuelo hipersónico es más rápido que el vuelo supersónico; este último término, por definición, significa más rápido que la velocidad del sonido.

Para romper la barrera del sonido y superar “Mach 1”, debe viajar más rápido que aproximadamente 1235 km por hora, o un kilómetro en menos de 3 segundos. Mach 2 es el doble de rápido, y así sucesivamente.

No existe un número de Mach claramente definido que marque el límite entre el vuelo supersónico y el hipersónico. Pero los ingenieros aeroespaciales generalmente consideran que Mach 5 es donde comienza la velocidad hipersónica.

El viaje hipersónico presenta algunos problemas adicionales que no se encuentran a más velocidades peatonales. El principal de ellos es el hecho de que el flujo de aire sobre el vehículo causa tanta fricción que el exterior de la nave puede superar los 1000 grados centígrados.

Como todo avión, volar depende de no tener demasiada masa a bordo. Por lo tanto, se requieren materiales especializados, ya sea cerámica de alta temperatura o materiales “ablativos” que se queman lentamente durante el vuelo, en el exterior de los vehículos para aislar la nave contra este calor y aún así ser lo suficientemente liviana para volar.

Los motores hipersónicos, llamados scramjets (estatorreactores de combustión supersónica), necesitan quemar combustible en un flujo de aire supersónico, lo cual es muy complicado.

Otro problema persistente es que el vuelo hipersónico es difícil de modelar con precisión debido a la interacción de varios efectos físicos diferentes que entran en juego a velocidades extremas.

Entonces, si desea comprender todo junto, debe realizar pruebas de vuelo reales, como el lanzamiento de hoy. Pero estos son caros y técnicamente exigentes.

Límites de prueba

Uno de los problemas hipersónicos más complicados es predecir algo llamado “ubicación de transición de la capa límite”.

Cuando un avión vuela por el aire, se forma una fina capa de aire alrededor de su superficie y es arrastrada junto con el vehículo.

Esta “capa límite” es muy importante, ya que la mayor parte del calentamiento ocurre aquí, junto con una parte significativa de las fuerzas de arrastre que intentan reducir la velocidad del vehículo.

A medida que esta capa límite crece a lo largo del vehículo, eventualmente hará la “transición” del flujo tranquilo “laminar” cerca del borde de ataque del vehículo, al flujo violento “turbulento” aguas abajo.

Si bien entendemos lo que conduce a esta “transición de la capa límite”, no podemos predecirlo perfectamente, especialmente a velocidades hipersónicas.

El problema es que predecir con precisión la ubicación de transición de la capa límite es muy importante para diseñar vehículos hipersónicos. En la mayoría de los casos, el flujo turbulento es malo. Aumenta enormemente tanto el calentamiento como la resistencia.

La incertidumbre sobre dónde será turbulento el flujo es un problema importante, ya que las grandes incertidumbres de calentamiento y arrastre hacen que algunos diseños de vehículos sean ineficientes o completamente inviables.

BOLT II: un nuevo experimento

BOLT (abreviatura de Boundary Layer Transition) fue una prueba de vuelo hipersónica de $6 millones que se lanzó en junio de 2021 desde el Centro Espacial Esrange en el norte de Suecia para estudiar la transición de la capa límite.

Pero no logró alcanzar velocidades hipersónicas, luego de problemas con su mecanismo de lanzamiento de cohetes.

BOLT II (esta vez abreviatura de Boundary Layer Transition and Turbulence) es el próximo vuelo planificado en el programa, con un presupuesto similar pero con un vehículo más grande para garantizar que se pueda estudiar más turbulencia de flujo.

Tanto los vehículos BOLT como BOLT II tienen una geometría de barrido compleja con una superficie cóncava para representar un vehículo hipersónico real. El objetivo es producir datos complejos del mundo real que los ingenieros y científicos puedan usar para mejorar sus modelos para predecir la transición en vehículos hipersónicos.

Se ejecuta un experimento separado en cada lado del vehículo, con un lado “liso” y un lado “áspero”. La longitud de circulación del flujo a lo largo del vehículo es de 1 metro, un poco más grande que el vehículo BOLT original.

BOLT II será lanzado en una trayectoria suborbital por un cohete de sondeo de dos etapas. Durante su ascenso, se planea alcanzar Mach 6, donde se realizará un experimento de vuelo de ascenso. Dará la vuelta en el espacio y luego volverá a entrar en la atmósfera, antes de realizar un experimento de descenso a Mach 5,5.

BOLT II es un vehículo totalmente autónomo y tiene más de 400 sensores e instrumentos montados a bordo para capturar datos sobre el entorno de flujo durante los experimentos.

Suponiendo que la trayectoria planificada de BOLT II sea similar a la trayectoria de vuelo original de BOLT planificada, BOLT II alcanzará una altitud máxima de alrededor de 281 km. Toda la misión terminará en menos de 10 minutos después del lanzamiento.

¿Hacia dónde desde aquí?

Para desarrollar los vehículos hipersónicos del futuro, debemos comprender adecuadamente cómo predecir la transición de la capa límite en formas de vehículos realistas y cuáles son los efectos diminutos del flujo turbulento en los vehículos hipersónicos. Los datos del experimento de vuelo BOLT II ayudarán a hacer precisamente eso.

El lanzamiento se transmitirá en vivo en el canal de YouTube Wallops de la NASA, por lo que sabremos de inmediato si el vuelo es un éxito o no. Suponiendo que lo sea, en los próximos años veremos muchos artículos científicos publicados sobre los avances de este importante experimento.

La capacidad de predecir con precisión la transmisión de la capa límite hipersónica nos acercará mucho más al vuelo hipersónico de pasajeros algún día. El avión espacial hipersónico NASP planificado por la NASA fue cancelado en la década de 1990, en parte debido a la incapacidad de predecir con precisión su ubicación de transición. Con suerte, pronto podremos superar eso.

Sin embargo, aún quedan muchos problemas. Los motores hipersónicos que respiran aire aún están en pañales; los materiales utilizados para proteger los vehículos hipersónicos son muy caros; y el diseño de vehículos hipersónicos sigue siendo muy complicado. Es de esperar que empresas como la propia Hypersonix de Australia, que tiene como objetivo utilizar un vehículo hipersónico que respira aire para lanzar pequeñas cargas útiles en órbita, nos acerque a hacer realidad el sueño del vuelo hipersónico.

Chris James es miembro de ARC DECRA en el Centro de Hipersónicos, Escuela de Ingeniería Mecánica y Minería, Universidad de Queensland.