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Ingeniería

Viento hipersónico

Un túnel hará ensayos con aeronaves mucho más rápidas que la velocidad del sonido

Ni siquiera nos percatamos, pero cuando viajamos en aviones fabricados por Boeing, Airbus o Embraer, que equipan a gran parte de las compañías aéreas del mundo, volamos en promedio 800 kilómetros por hora (km/h). Esa velocidad solo es superada por el Concorde, un avión supersónico comercial retirado en 2003 después de haber volado desde 1976. Éste rompía la barrera del sonido, volando a 2.170 Km./h. Actualmente, sólo aviones militares cazas vuelan en condiciones supersónicas. Pero la evolución tecnológica de los aviones o incluso aeronaves híbridas, que podrían tanto volar en la atmósfera como fuera de ella, no abandona las altas velocidades. La investigación tecnológica actual busca la elaboración de aeronaves mucho más rápidas, más económicas y confortables, además de emitir menos contaminación. En Brasil, un importante instrumento para ese tipo de investigación un túnel de viento supersónico ya se encuentra en fase de pruebas en la sede del Instituto de Estudios Avanzados (IEAv) del Comando General de Tecnología Aeroespacial (CTA), vinculado a la Fuerza Aérea Brasileña, en la ciudad paulista de São José dos Campos.

Inaugurado en diciembre del 2006, el túnel posee también otras funciones, como probar cápsulas de satélites que van a pasar por una futura reentrada en la atmósfera terrestre, en que altas velocidades y temperaturas elevadas actúan sobre esos equipamientos. Dentro de la cámara de análisis del túnel bautizado como T3 ya están instaladas réplicas de las cápsulas del microsatélite Sara, sigla de satélite de reentrada atmosférica, una plataforma reutilizable que está en estudio por la Agencia Espacial Brasileña.

El túnel de viento supersónico del IEAv no funciona con flujo continuo de corriente de aire como en los túneles usados para probar aviones, automóviles o edificaciones. Ese tipo de túnel trabaja de forma pulsada. El examen  es un pulso de aire en altísima velocidad con una duración de 100 microsegundos a 10 milésimas de segundo, explica el ingeniero mecánico Paulo Toro, investigador de la División de Aerotermodinámica e Hipersónica del IEAv. Por medio de una cámara de filmación de alta velocidad capaz de tirar 2 millones de cuadros en un segundo es posible ver el exacto momento en que una capa de plasma se forma como resultado del pulso de aire y de la su alta temperatura (cerca de 2.000°C) alrededor de la réplica de la cápsula del satélite. Esa capa es llamada onda de choque, resultado del desagüe hipersónico de aire atmosférico  en interacción con la superficie del modelo en la sección de prueba del túnel, dice Toro.

El pulso es producido en un sistema de almacenamiento que alterna mecanismos de alta y baja presión (vea gráfico abajo) que libera el aire en altísima velocidad sobre un prototipo instalado en la cámara de prueba del túnel. El movimiento del aire es hipersónico porque representa, como mínimo, cinco veces la velocidad del sonido, que es de cerca de 1.155 km/h en el nivel del mar. El máximo de velocidad es de cerca de 25 mil km/h, equivalente al Mach 25, medida usada para identificar la velocidad de aeronaves en vuelo. Como comparación, el Concorde alcanza Mach 2.

Tales velocidades altísimas están relacionadas a los satélites y naves espaciales en lo referente a su re-entrada en la atmósfera y también a aeronaves del futuro que deben utilizar diferentes tipos de combustión para hacerse factible. Un ejemplo de esas tecnologías tuvo lugar en el 2004, cuando la agencia espacial estadounidense, la NASA, mantuvo en el aire por 10 segundos un prototipo de avión que viajó a la velocidad Mach 10, algo como 11,5 mil km/h. El sistema de propulsión de esa aeronave, llamada X-43, funciona de un modo diferente que las tradicionales turbinas de avión a chorro. En esas, el aire es halado para el interior del aparato y hace mover las paletas que lanzan el aire en una cámara donde es inyectado el combustible, produciendo una combustión y la consecuente extracción del aire caliente por la parte trasera del equipamiento, resultando un impulso de la aeronave. En el sistema scramjet, sigla en inglés para combustión a chorro supersónica, usado por el X-43, que fue lanzado de un avión, la idea es no tener partes móviles como paletas.

En scramjet, el aire es comprimido por la propia geometría y la velocidad del vehículo y es diseccionado para una cámara en la parte inferior del avión, donde también es pulverizado el gas hidrógeno, lo que provoca la combustión y acelera la aeronave. Ese sistema de combustión deberá ser probado dentro del T3 todavía en este año, en pruebas preliminares, con un modelo desarrollado en el Brasil por el IEAv. Será el 14-X en un homenaje al 14-Bis de Santos-Dumont, dice el teniente coronel Marco Antonio Sala Minucci, uno de los idealizadores del T3 y de los túneles hipersonidos anteriores, T2 y T1, de menor tamaño.

El 14-X tendrá cerca de 1,5 metro de longitud y 80 centímetros de ancho. La previsión es que su lanzamiento tenga lugar desde un cohete brasileño en el 2010. Otra posibilidad del estudio que debe ser iniciada aún en este año, es la combustión supersónica asistida por láser. Con el láser también podremos probar en el T3 la propulsión para naves espaciales y posibles nanossatélites, en el futuro. Para eso hicimos un acuerdo con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza  Aérea estadounidense (AFRL en la sigla en inglés) que nos va a  ceder dos fuentes de radiación láser para que desarrollemos nuestras investigaciones en la forma de asociación, dice Sala. Todos los experimentos que involucran al láser en la combustión y en la propulsión están todavía en el comienzo, inclusive en los Estados Unidos, y, si fuesen factibles, no serán comerciales en los próximos 20 a 50 años. Así, el T3 será fundamental para esos experimentos. El equipamiento fue totalmente desarrollado en el IEAv y contó con el financiamiento de la FAPESP. La fabricación del túnel involucró cuatro industrias del interior paulista y sur de Brasil, entre metalúrgicas y de calderas.

El Proyecto
Investigación experimental preliminar en combustión supersónica
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinador
Paulo Toro – IEAv-CTA
Inversiones
1.755.353,81 reales y 235.000,00 dólares (FAPESP)

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