Se você já foi a um show aéreo, ou vivia perto de uma base da força aérea, você está familiarizado com estrondos sônicos.

Esses ruídos ensurdecedores são criados por aeronaves que excedem a velocidade do som, aproximadamente 767 mph (1234 km / h). Eles explicam, em parte, por que os aviões de passageiros cruzam os céus em velocidades mais lentas e menos ofensivas auditivamente.

O engenheiro aeroespacial da Universidade de Buffalo, James Chen, está trabalhando para resolver problemas associados à ultrapassagem da barreira do som.

"Imagine voar da cidade de Nova York a Los Angeles em uma hora. Imagine veículos aéreos não tripulados incrivelmente rápidos fornecendo informações mais atualizadas e diferenciadas sobre a atmosfera da Terra, o que poderia nos ajudar a prever melhor tempestades mortais, "diz Chen, Ph.D., professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UB.

Chen é o autor correspondente de um estudo publicado em 3 de janeiro no Journal of Engineering Mathematics . O estudo pertence à teoria cinética clássica do físico austríaco Ludwig Boltzmann, que usa o movimento das moléculas de gás para explicar os fenômenos cotidianos, como temperatura e pressão.

O trabalho de Chen estende a teoria cinética clássica para a aerodinâmica de alta velocidade, incluindo velocidade hipersônica, que começa em 3, 836 mph (6173 km / h) ou cerca de cinco vezes a velocidade do som. O novo estudo e outros de Chen em influentes jornais acadêmicos tentam resolver problemas de longa data associados à aerodinâmica de alta velocidade.

Jatos de passageiros supersônicos

A ideia de jatos supersônicos de passageiros não é nova. Talvez o mais famoso seja o Concorde, que voou de 1976-2003. Embora tenha sucesso, foi afetado por reclamações de ruído e custos operacionais elevados.

Mais recentemente, A Boeing anunciou planos para um avião hipersônico e a NASA está trabalhando em um projeto supersônico chamado QueSST, abreviação de Quiet Supersonic Technology.

"A redução do notório estrondo sônico é apenas um começo. Em vôo supersônico, devemos agora responder ao último problema não resolvido na física clássica:turbulência, "diz Chen, cujo trabalho é financiado pelo Programa de Jovens Investigadores da Força Aérea dos EUA, que apóia engenheiros e cientistas que mostram habilidade excepcional e promessa para a realização de pesquisas básicas.

Para criar mais eficiente, aeronaves mais baratas e mais silenciosas que excedem a barreira do som, a comunidade de pesquisa precisa entender melhor o que está acontecendo com o ar que cerca esses veículos.

"Há tanto que não sabemos sobre o fluxo de ar quando você atinge velocidades hipersônicas. Por exemplo, redemoinhos se formam em torno da aeronave, criando turbulência que afeta a forma como a aeronave manobra na atmosfera, " ele diz.

Teoria do continuum de transformação

Para resolver esses problemas complexos, pesquisadores têm usado historicamente túneis de vento, que são laboratórios de pesquisa que reproduzem as condições que os veículos encontram enquanto estão no ar ou no espaço. Embora eficaz, esses laboratórios podem ser caros de operar e manter.

Como resultado, muitos pesquisadores, incluindo Chen, giraram em direção a simulações numéricas diretas (DNS).

"DNS com computação de alto desempenho pode ajudar a resolver problemas de turbulência. Mas as equações que usamos, baseado no trabalho de Navier e Stokes, são essencialmente inválidos em velocidades supersônicas e hipersônicas, "diz Chen.

Seu trabalho no Journal of Engineering Mathematics centra-se na teoria do continuum de metamorfose (MCT), que se baseia nos campos da mecânica e da teoria cinética. O MCT visa fornecer aos pesquisadores equações computacionalmente amigáveis ​​e uma teoria para resolver problemas com turbulência hipersônica.

"O Centro de Pesquisa Computacional da UB fornece uma plataforma perfeita para minha equipe e eu no Laboratório de Física Computacional Multiescala para perseguir esses difíceis problemas de aerodinâmica de alta velocidade com computação de alto desempenho, "diz Chen.

Em última análise, o trabalho pode levar a avanços em como as aeronaves supersônicas e hipersônicas são projetadas, tudo, desde a forma do veículo até os materiais de que é feito. O objetivo, ele diz, é uma nova classe de aeronaves que são mais rápidas, mais quieto, menos caro para operar e mais seguro.