Avances en aviones hipersónicos: un nuevo enfoque de diseño más simple

Los aviones hipersónicos, capaces de volar de Sydney a Los Ángeles en solo una hora, podrían estar más cerca de convertirse en una realidad. Sin embargo, el principal obstáculo para que estos aviones ultrarrápidos se materialicen es nuestra comprensión de cómo la turbulencia que generan al volar a tales velocidades afecta su diseño. Un nuevo estudio sugiere que la construcción de aviones hipersónicos podría no requerir un enfoque de diseño significativamente diferente.

Si se lograra hacer realidad el vuelo hipersónico, un concepto que ha sido parte de la ciencia ficción durante mucho tiempo, podría revolucionar los viajes globales, transformando vuelos internacionales que actualmente duran un día en desplazamientos breves que no superarían la duración de una película. Por ejemplo, la duración de un vuelo de larga distancia, como el de Sydney a Los Ángeles, podría reducirse de 15 horas a solo una.

El profesor Nicholaus Parziale, cuyo trabajo se centra en hacer que el vuelo hipersónico sea una realidad, recibió recientemente el Premio Presidencial a Jóvenes Científicos e Ingenieros por su investigación sobre la mecánica de fluidos que afecta el vuelo a alta velocidad. "Realmente encoge el planeta", afirmó. "Hará que viajar sea más rápido, más fácil y más placentero".

Desafíos de diseño a velocidades hipersónicas

Viajar la mitad del planeta en una hora puede parecer inalcanzable, pero estos aviones podrían estar más cerca de la realidad de lo que se piensa. Los aviones militares ya vuelan a velocidades dobles y triples de la del sonido, que los ingenieros denominan Mach 2 o Mach 3, donde Mach 1 representa la velocidad del sonido, aproximadamente 760 millas por hora. Para cubrir la distancia de Los Ángeles a Sydney en una hora, los aviones tendrían que volar a Mach 10, diez veces la velocidad del sonido. El principal obstáculo para que estos aviones ultrarrápidos se conviertan en realidad es la turbulencia y el calor que generan al volar.

La forma en que el aire se comporta alrededor de la aeronave varía según la velocidad. Los ingenieros aeroespaciales utilizan términos específicos para describir este fenómeno: flujo incompresible y flujo compresible. En el flujo incompresible, que ocurre a bajas velocidades (por debajo de aproximadamente Mach 0.3 o 225 millas por hora), la densidad del aire se mantiene casi constante, lo que simplifica el diseño del avión. Sin embargo, a velocidades más altas, especialmente por encima de la velocidad del sonido, se produce un cambio a flujo compresible. "Eso se debe a que un gas puede 'comprimirse'", explica Parziale, o, en términos científicos, comprimirse.

La compresión significa que la densidad del aire cambia significativamente debido a variaciones en la presión y temperatura, lo que afecta cómo vuela una aeronave. "La compresibilidad afecta cómo el flujo de aire rodea el cuerpo y eso puede cambiar cosas como la sustentación, la resistencia y el empuje necesarios para despegar o mantenerse en el aire", lo cual es crucial para el diseño de aviones.

La hipótesis de Morkovin y la turbulencia explicada

Los ingenieros aeroespaciales tienen una buena idea de cómo funciona el flujo de aire con aviones que vuelan por debajo o cerca de la velocidad del sonido, también conocidos como números de Mach bajos. Para construir aviones hipersónicos, deben comprender cómo funciona el flujo de aire a mayores números de Mach, como cinco o diez veces la velocidad del sonido. Y eso sigue siendo un enigma, salvo por la llamada hipótesis de Morkovin.

Formulada por Mark Morkovin a mediados del siglo XX, la hipótesis postula que cuando el aire se mueve a Mach 5 o Mach 6, el comportamiento de la turbulencia no cambia mucho en comparación con velocidades más lentas. Aunque la densidad del aire y la temperatura cambian más en flujos más rápidos, la hipótesis sostiene que el movimiento básico "irregular" de la turbulencia se mantiene en gran medida igual.

"Básicamente, la hipótesis de Morkovin significa que la forma en que se mueve el aire turbulento a bajas y altas velocidades no es tan diferente", dice Parziale. "Si la hipótesis es correcta, significa que no necesitamos una forma completamente nueva de entender la turbulencia a estas velocidades más altas. Podemos usar los mismos conceptos que utilizamos para los flujos más lentos". Esto también implica que los aviones hipersónicos no necesitan un enfoque de diseño significativamente diferente.

Pruebas de la hipótesis en el laboratorio

Sin embargo, hasta ahora nadie ha podido proporcionar evidencia experimental suficiente para respaldar la hipótesis de Morkovin. Esto se convirtió en el tema del nuevo estudio de Parziale, titulado Hipersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin's Hypothesis, que fue publicado en Nature Communications el 12 de noviembre.

En el estudio, el equipo de Parziale utilizó láseres para ionizar un gas llamado kripton, que se inyectó en el aire que fluía dentro de un túnel de viento. Esto hizo que temporalmente los átomos de kripton formaran una línea recta y brillante. Luego, los investigadores utilizaron cámaras de ultra alta resolución para tomar imágenes de cómo esa línea fluorescente se mueve, se dobla y se retuerce a través del aire del túnel de viento, similar a cómo una hoja gira a través de los pequeños remolinos en un río.

"A medida que esa línea se mueve con el gas, se pueden ver arrugas y estructuras en el flujo, y a partir de eso, podemos aprender mucho sobre la turbulencia", dice Parziale, quien agregó que pasó 11 años construyendo ese ingenioso sistema. "Y lo que encontramos fue que a Mach 6, el comportamiento de la turbulencia es bastante similar al flujo incompresible".

Implicaciones para el vuelo futuro

Aunque la hipótesis aún no está completamente confirmada, el estudio nos acerca un paso más al vuelo hipersónico, ya que sugiere que los aviones no necesitan un diseño completamente nuevo para volar a velocidades hipersónicas. Y eso simplifica las cosas.

"Hoy en día, debemos usar computadoras para diseñar un avión, y los recursos computacionales para diseñar un avión que volará a Mach 6, simulando todos los pequeños detalles, serían imposibles", dice Parziale. "La hipótesis de Morkovin nos permite hacer suposiciones simplificadas para que las demandas computacionales para diseñar vehículos hipersónicos sean más manejables".

Los hallazgos del estudio también tienen el potencial de cambiar la forma en que se realiza el transporte espacial, explica Parziale. "Si podemos construir aviones que vuelen a velocidades hipersónicas, también podemos volarlos al espacio, en lugar de lanzar cohetes, lo que facilitaría el transporte hacia y desde la órbita terrestre baja", dice. "Sería un cambio radical para el transporte, no solo en la Tierra, sino también en la órbita baja".

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