Avioanele hipersonice ar putea fi folosite pentru călătorii spațiale

Cercetătorii de la Universitatea din Virginia explorează potențialul avioanelor hipersonice pentru călătorii spațiale, folosind inovații în controlul motorului și tehnici de detectare. Lucrările, susținute de NASA, vizează îmbunătățirea performanțelor avioanelor de tip scramjet prin sisteme de control adaptive și senzori optici, ceea ce ar putea conduce la vehicule de acces în spațiu mai sigure și mai eficiente, care să funcționeze ca aeronavele.

În 2004, testele finale ale NASA cu prototipul fără pilot X-43A au reprezentat o piatră de hotar în cea mai recentă eră de dezvoltare a avioanelor cu reacție – saltul de la avioanele ramjet la avioanele scramjet mai rapide și mai eficiente. Ultimul test, efectuat în luna noiembrie a acelui an, a înregistrat o viteză de record mondial pe care numai o rachetă ar fi putut-o atinge anterior: Mach 10. Viteza echivalează cu de 10 ori viteza sunetului.

NASA a cules o mulțime de date utile din aceste teste, la fel cum a făcut și Air Force șase ani mai târziu, în cadrul unor teste similare pe X-51 Waverider, înainte ca prototipurile să se prăbușească în ocean.

Deși dovada conceptului hipersonic a fost un succes, tehnologia era departe de a fi operațională. Provocarea a fost obținerea controlului motorului, deoarece tehnologia se baza pe abordări vechi de zeci de ani ale senzorilor.

În cadrul unui nou studiu finanțat de NASA, cercetătorii de la Facultatea de Inginerie și Științe Aplicate a Universității din Virginia au publicat date în revista Aerospace Science and Technology, care arată pentru prima dată că fluxul de aer din motoarele cu reacție supersonice poate fi controlat de un senzor optic. Descoperirea ar putea duce la stabilizarea mai eficientă a avioanelor cu reacție hipersonice.

Vehicule spațiale mai sigure și mai eficiente

În plus, cercetătorii au realizat controlul adaptiv al unui motor scramjet, reprezentând o altă premieră pentru propulsia hipersonică. Sistemele adaptive de control al motorului răspund la schimbările de dinamică pentru a menține performanța generală optimă a sistemului.

„Una dintre prioritățile noastre aerospațiale încă din anii 1960 a fost construirea de aeronave cu o singură etapă până la orbită, care să zboare în spațiu ca un avion tradițional”, a declarat profesorul Christopher Goyne, directorul Laboratorului de cercetare aerospațială UVA, unde a avut loc cercetarea. Goyne și co-investigatorul său, Chloe Dedic, profesor asociat la UVA Engineering, cred că senzorii optici ar putea fi o parte importantă a ecuației de control.

NASA a căutat mult timp să prevină ceva ce poate apărea la motoarele scramjet numit „unstart”. Termenul indică o schimbare bruscă a fluxului de aer. Numele provine de la o instalație de testare specializată numită tunel de vânt supersonic, unde un „start” înseamnă că vântul a atins condițiile supersonice dorite.

Ramjet-urile „împing” aerul în motor folosind mișcarea înainte a aeronavei pentru a genera temperaturile și presiunile necesare pentru arderea combustibilului. Acestea funcționează într-un interval de la Mach 3 la Mach 6. Pe măsură ce orificiul de admisie din partea din față a aeronavei se îngustează, viteza internă a aerului încetinește până la viteze subsonice în cazul unui motor cu ardere turboreactoare. Avionul în sine, însă, nu face acest lucru.

În prezent, la fel ca ramjet-urile, motoarele scramjet au nevoie de o treaptă superioară pentru a ajunge la o viteză la care pot absorbi suficient oxigen pentru a funcționa. Aceasta poate include o plimbare atașată la partea inferioară a unui portavion, precum și un impuls de rachetă.

Mai mult spațiu pentru pasageri și încărcătură utilă

Cea mai recentă inovație este o cameră de combustie scramjet cu două moduri, care a fost tipul de motor testat în cadrul proiectului condus de UVA. Motorul dual pornește în modul ramjet la un număr mai mic de Mach, apoi trece la primirea unui flux de aer supersonic complet în camera de ardere la viteze care depășesc Mach 5.

Vântul care intră interacționează cu pereții de admisie sub forma unei serii de unde de șoc cunoscute sub denumirea de „tren de șoc”. În mod tradițional, marginea frontală a acestor unde, care pot fi distructive pentru integritatea aeronavei, a fost controlată de senzori de presiune, scrie SciTechdaily.

Mașina se poate adapta, de exemplu, prin relocarea poziției trenului de șocuri. Dar locul unde se află marginea de atac a trenului de șocuri se poate schimba rapid dacă perturbările de zbor modifică dinamica în aer. Trenul de șocuri poate presuriza admisia, creând astfel condițiile necesare pentru nepornire.

Echipa a decis să utilizeze un senzor de spectroscopie de emisie optică pentru feedback-ul necesar pentru a controla marginea anterioară a trenului de șoc.

Combinația ideală

Nemaifiind limitat la informațiile obținute la nivelul pereților motorului, așa cum sunt senzorii de presiune, senzorul optic poate identifica schimbări subtile atât în interiorul motorului, cât și în calea fluxului. Instrumentul analizează cantitatea de lumină emisă de o sursă – în acest caz, gazele care reacționează în camera de combustie a jetului exploziv – precum și alți factori, cum ar fi localizarea flăcării și conținutul spectral.

Testul din tunelul aerodinamic a fost, de fapt, prima dovadă mondială a faptului că, de fapt, controlul adaptiv în aceste tipuri de motoare cu funcție dublă poate fi realizat cu ajutorul senzorilor optici.

Deși mai sunt încă multe de făcut, senzorii optici pot fi o componentă a viitorului pe care Goyne crede că îl va realiza în timpul vieții sale: călătorii în spațiu cu avionul.

Avioanele cu reacție cu două moduri de funcționare ar necesita în continuare un fel de propulsie pentru a duce aeronava la cel puțin Mach 4. Dar ar exista siguranța suplimentară de a nu se baza exclusiv pe tehnologia rachetelor, care necesită transportul de combustibil extrem de inflamabil, alături de cantități mari de oxidant chimic pentru a arde combustibilul.

Această scădere a greutății ar oferi mai mult spațiu pentru pasageri și încărcătură utilă.

O astfel de aeronavă, care ar aluneca înapoi pe Pământ la fel ca navetele spațiale, ar putea oferi chiar combinația ideală de eficiență a costurilor, siguranță și reutilizare.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Prețuri mai mari la biletele de avion pentru a fi îndeplinite cerințele de mediu

Test de cultură generală. De ce trebuie să închidem electronicele în avion?

SUA au testat o rachetă hipersonică ce poate lovi Moscova în mai puţin de 30 minute

O filmare cu un OZN metalic hipersonic, dezvăluită de oficiali din Pentagon