Para sair da órbita inferior da Terra, veículos hipersônicos devem atingir velocidades maiores que Mach 5. Nessas velocidades hipersônicas, as partículas de ar e gases que fluem ao redor do veículo e interagem com as superfícies geram calor e criam ondas de choque que perturbam o equilíbrio do fluxo. Uma nova pesquisa na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign criou um modelo para simular e entender melhor as transições de fluxo.

"Em velocidades hipersônicas, o fluxo está se movendo em altos números de Mach, mas também existem asas ou flaps no veículo. Em cada uma dessas junções, você pode ter uma recirculação muito forte, o que leva à instabilidade. É difícil prever o quão ruim a instabilidade pode se tornar antes que o fluxo não seja mais regular, e se torna turbulento, "disse Deborah Levin, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Faculdade de Engenharia da U de I.

Ela e seu aluno de doutorado Ozgur Tumuklu, junto com o professor Vassilis Theofilis da Universidade de Liverpool, conduziu pesquisas que trazem uma compreensão revolucionária para o campo do fluxo hipersônico.

Levin disse que estuda o fluxo em um nível muito fundamental para entender o fluxo, as forças que o fluxo pode criar, e o período de tempo em que o fluxo permanece estável em termos de microssegundos a milissegundos - mais rápido do que um piscar de olhos.

"Desde os aspectos fundamentais do fluxo, quando a velocidade é tão alta, os gases ao redor das superfícies ficam muito quentes, "Levin explicou." O calor de fricção começa a causar reações químicas. O gás não permanece mais com 79% de nitrogênio e 21% de oxigênio como temos em nossa atmosfera.

"Quando todos esses efeitos ocorrem, eles são chamados de efeitos de não equilíbrio. É um fenômeno que ocorre à medida que o ar fica mais rarefeito à medida que você se move mais rápido, "Levin disse." Acoplar tudo isso - o desequilíbrio e a estabilidade - é o que é realmente novo nesta pesquisa e nunca foi feito antes. O resultado desta pesquisa é um modelo e a capacidade de usar essa técnica no futuro para projetar formas e induzir reações químicas que irão ou não induzir estabilidade ou extingui-la. "

Levin disse que alguns dos trabalhos originais neste campo começaram com experimentos na Universidade de I com a professora Joanna Austin, antes de partir para um cargo na California Technical. Uma parte importante de seu trabalho em Illinois foi projetar uma nova instalação que pudesse medir algumas das características de fluxo.

"Ela tem um tubo de expansão de hipervelocidade - uma classe de técnicas de medição que pode ser usada para induzir um fluxo em um modelo de cunha dupla do tamanho da minha mão, "Levin disse." Dr. Austin cria um fluxo hipersônico em todo o modelo. Ele usou uma enorme quantidade de energia para realizar, mas pode ser usado para casos de baixa densidade (ar mais rarefeito). Mas a cunha dupla pode ser uma forma difícil de entender o que está acontecendo. Executamos várias simulações, mas não conseguimos fazer com que o fluxo atingisse um resultado estável ou estável. "

Levin disse que a colaboração com Theofilis ajudou a levar o trabalho adiante, particularmente no que diz respeito a uma nova abordagem e em relação à forma do modelo.

"Ele me disse, 'Eu sei que esta condição [sic double wedge] é difícil de entender do ponto de vista da estabilidade, mas se você começar a imprimir a partir de seus cálculos de fluxo a temperatura aqui, aqui, e aqui, você verá que a temperatura nunca se estabilizará. Você verá redemoinhos e vórtices que vêm e vão. Quando um especialista te diz isso, você presta atenção, "Levin disse.

Uma coisa que eles fizeram antes de deixar a cunha dupla foi "reduzir artificialmente as condições no tubo de expansão de hipervelocidade por um fator de cerca de um oitavo, "Levin disse." Ainda vimos muitos recursos, como os choques, e recirculação, mas o fluxo se acalmou e fomos capazes de simular um estado estacionário. "

Os pesquisadores colocaram a cunha dupla de lado por enquanto e mudaram para um design de cone duplo como modelo. Levin disse, "Tem simetria axial - como um pião, ele tem simetria em todos os ângulos, tornando-o muito mais fácil de calcular. "

A pesquisa forneceu um novo entendimento sobre os pontos de transição no fluxo de suave para turbulento, o que pode, em última análise, informar um projeto de veículo mais seguro.