Túneles de viento hipersónicos

Palabras de Eric Tegler

A medida que 2021 llegaba a su fin, los informes de que China pronto presentaría un túnel de viento hipersónico avanzado capaz de simular objetos que vuelan a Mach 30 provocaron alarma en Occidente y afirmaciones de expertos de que realmente no hay tal túnel en el horizonte.

Incluso si el rumoreado túnel JF-22 de China, propulsado por 15 GW, fuera real, simplemente no puede cubrir el espectro de desarrollo necesario en la carrera por desplegar armas y aviones hipersónicos. Como dice Joseph Jewell, profesor de aeronáutica y astronáutica de la Universidad Purdue: "Ninguna instalación en tierra puede reproducir todos los aspectos del vuelo atmosférico hipersónico".

La Universidad Purdue tiene un departamento de investigación hipersónica de larga data y una nueva Instalación de Investigación Aplicada e Hipersónica (HARF) en construcción en su campus de West Lafayette, Indiana. Son emblemáticos de un impulso, particularmente en Estados Unidos, para disuadir las armas hipersónicas chinas y rusas existentes y emergentes mediante el contradesarrollo y el despliegue de cientos de armas hipersónicas de diferentes tipos para mediados de la década de 2020.

En abril, Mark Lewis, director de investigación e ingeniería para la modernización del Departamento de Defensa de Estados Unidos, confirmó que los hipersónicos son una de las principales prioridades del Pentágono. Los planes de desarrollo abarcan desde misiles de planeo propulsados ​​por cohetes Mach 10 hasta misiles de crucero que respiran aire Mach 5 que están sobre la mesa.

Dada la urgencia de la investigación hipersónica, existe una demanda de instalaciones de prueba y desarrollo, en particular túneles de viento hipersónicos avanzados. Son clave para comprender cómo configurar proyectiles para resistir las temperaturas y el flujo de aire sin precedentes que rodean a los vehículos hipersónicos durante el vuelo. Generalmente se acepta que el umbral para lo que se considera velocidad hipersónica es de alrededor de Mach 5 y los grandes túneles de viento hipersónicos son raros. La mayoría de las instalaciones existentes en Estados Unidos fueron diseñadas y construidas entre los años 1950 y 1970, cuando Estados Unidos invirtió fuertemente en el desarrollo de misiles y el Programa Espacial. Los túneles pueden producir flujos hipersónicos que son fríos, de gran perturbación, pequeños y relativamente cortos.

Si bien estos túneles son buenos para la investigación básica y un enfoque compartimentado que resuelve los problemas de los vuelos hipersónicos, no pueden producir simultáneamente flujos calientes, de baja perturbación y prolongados a escala. Los expertos dicen que nada puede lograrse fuera de las pruebas de vuelo reales.

Pero hay un grupo pequeño y creciente de instalaciones estadounidenses que pueden producir las calidades mencionadas de forma individual o individual. Estos túneles de viento hipersónicos avanzados y sus predecesores más tradicionales son partes críticas de la infraestructura nacional en Estados Unidos y Europa.

Los estudiantes trabajan durante el verano con el silencioso túnel de viento Mach 6 de Purdue. Un túnel de viento silencioso Mach 8 más avanzado será parte del nuevo edificio de investigación hipersónica que se construirá en Purdue (Universidad de Purdue/John Underwood).

Hay cinco tipos comunes de túneles de viento hipersónicos. Los túneles silenciosos son quizás el tipo más buscado. Los túneles silenciosos se llaman así porque son capaces de hacer fluir aire a velocidades hipersónicas sin la turbulencia creada por la capa límite que se desarrolla a tales velocidades. El Centro de Investigación Langley de la NASA desarrolló los primeros túneles de viento silenciosos para la investigación supersónica e hipersónica en la década de 1980. Abordan uno de los principales desafíos en la investigación del flujo hipersónico: la predicción precisa de la transición.

La transición es cuando el flujo de aire suave o laminar a través de una superficie se vuelve perturbado o turbulento a medida que aumenta la velocidad del flujo de aire. Dicha transición genera un aumento significativo en la resistencia viscosa y el flujo de calor, lo que lleva a severas restricciones en el rendimiento y la protección térmica de los vehículos hipersónicos. Purdue construyó uno de los primeros túneles silenciosos no pertenecientes a la NASA, el Túnel Silencioso Boeing/AFOSR Mach-6, en el finales de los años 1990. El túnel se basa en un diseño de tubo Ludwieg (un largo tubo cilíndrico aguas abajo de un gran tanque de aire y una boquilla convergente-divergente controlada por un diafragma o válvula) desarrollado por primera vez en la década de 1950.

El interior de la instalación de pruebas hipersónicas en la estación Plum Brook de la NASA (Imagen: NASA)

Un túnel silencioso extrae o aspira aire turbulento a través de una ranura de purga en el túnel. Esto produce un flujo de aire más suave y silencioso aguas abajo, cuando pasa sobre un artículo de prueba, como una entrada, un ala o un fuselaje. Túneles no silenciosos como el túnel de viento hipersónico Mach 6-plus HTFD de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, que también es un túnel de viento Ludwieg El diseño del tubo produce una perturbación del flujo de aire del 2% o más desde sus boquillas de flujo. En la práctica, esto significa que los artículos de prueba que contiene prácticamente vuelan a través de una corriente de aire con ruido no deseado, lo que dificulta el aislamiento de varias mediciones del fondo.

“Nuestro superpoder”, dice Jewell, “es que mediante un diseño muy cuidadoso del túnel y décadas de trabajo, podemos producir flujos hipersónicos que tienen aproximadamente un 0,02% de perturbación en la corriente, básicamente 100 veces más pequeños. Es mucho más representativo de las condiciones que un vehículo de vuelo real ve en la atmósfera”. El túnel Mach 6 de Purdue sigue siendo el túnel de viento hipersónico silencioso más grande del mundo con un tiempo de flujo moderadamente largo de aproximadamente dos segundos. Un tiempo de flujo más prolongado permite a los ingenieros tener más oportunidades de medir y observar. Jewell señala que “si el flujo de aire viaja a 1.000 metros por segundo, en dos segundos un objeto de prueba ha recorrido dos kilómetros en el túnel de viento”.

El túnel silencioso se ha utilizado constantemente para la investigación de física básica y el desarrollo de modelos hipersónicos con sujetos de prueba que incluyen conos y artículos de geometría variada, a menudo representativos de formas de misiles, colocados dentro de su sección de prueba de dos pies (0,60 m) de diámetro. Más recientemente, se han examinado objetos con superficies de control teóricas, como cuñas.

Jewell dice que los investigadores de Purdue han estado evaluando dispositivos como chorros de control de reacción, capaces de apuntar un vehículo direccionalmente. Dos proyectos actuales financiados por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea están investigando la inestabilidad del flujo de aire que se forma en los labios de admisión.

Al túnel silencioso Mach 6 pronto se le unirán otros dos en las nuevas instalaciones HARF de 65.000 pies cuadrados y 41 millones de dólares en Purdue. Albergará la única instalación de túnel silencioso hipersónico Mach 8 del mundo, que también tiene una configuración de tubo Ludwieg, así como un sensor de fabricación y materiales avanzados llamado HAMTC (Capacidad de prueba de fabricación avanzada hipersónica).

HARF también albergará uno de los otros tipos principales de túneles hipersónicos, un túnel de choque de pulso hipersónico llamado HYPULSE.

Los túneles de choque, a veces llamados túneles de expansión explosiva, utilizan válvulas o diafragmas de explosión con una liberación de acción rápida para enviar ondas de choque hipersónicas por el túnel, lo que permite el estudio de flujos de alto número de Mach en artículos de prueba durante aproximadamente 0,5 a 5,0 milisegundos.“Detrás de eso Las ondas de choque son las condiciones que estás buscando”, dice Karen Berger, gerente de instalaciones del túnel de viento hipersónico en la NASA Langley en Virginia, EE. UU.

El Centro de Investigación Langley de la NASA alberga numerosos túneles subsónicos, transónicos, supersónicos e hipersónicos. Berger gestiona tres túneles de viento hipersónicos de purga en Langley. Capaces de hacer fluir aire a Mach 6 y Mach 10, fueron construidos en la década de 1960. Los túneles de purga son el diseño de túnel hipersónico más común.

HARF en la Universidad Purdue albergará uno de los principales tipos de túneles hipersónicos, un túnel de choque de pulso llamado HYPULSE (Foto: Northrop Grumman)

HYPULSE y otros túneles de choque como el gran túnel de choque CUBRC Aerosciences Group en Buffalo, Nueva York, el túnel de choque Arnold Engineering Development Complex de la Fuerza Aérea de EE. UU. en White Oak, Maryland, el túnel T6 Stalker (T6) del Reino Unido en la Universidad de Oxford Osney Mead Estate y el túnel X3R mejorado en la Universidad de Queensland en Australia, comparten un diseño básico con el túnel de purga. En un túnel de purga, el proceso de flujo comienza con aire alimentado a través de un secador para eliminar las moléculas de agua. Desde el secador pasa a una cámara de alta presión donde la presión aumenta a medida que se inyecta a través de una bomba. Una vez que se alcanza la presión objetivo, se abre una válvula para permitir que el aire entre en una cámara que también está regulada a alta presión. Luego, el aire pasa a través de una boquilla convergente-divergente que se estrecha en la entrada y se ensancha en la salida. Esto acelera el aire a alta presión a una velocidad hipersónica.

El flujo hipersónico viaja unos pocos pies más a medida que el túnel se ensancha hasta una sección de prueba donde pasa rápidamente por cualquier artículo de prueba que se coloque allí.

El flujo continúa hacia otra boquilla más grande donde se desacelera y pasa a través de un intercambiador de calor para enfriarlo. El aire lento ingresa a una cámara de salida y luego a una cámara de baja presión.

A medida que el aire sale de la cámara de alta presión, la presión en la cámara disminuye. Asimismo, a medida que entra aire en la cámara de baja presión, la presión en esa cámara aumenta. Finalmente, la presión en las dos cámaras se iguala, el flujo se detiene y la prueba finaliza. El aire u otro gas como helio o nitrógeno en la cámara de baja presión se extrae mediante una bomba de vacío o un eyector de corriente y se expulsa a la atmósfera o se recaptura para su uso repetido. Los túneles de purga son útiles para estudiar la aerodinámica hipersónica y el entorno de calentamiento en torno a diversas formas.

"Estamos observando cómo vuela el vehículo y qué tipo de entorno de calentamiento aerodinámico podría encontrar", dice Berger. Los investigadores que utilizan HYPULSE, que Northrop Grumman donó a Purdue en 2020, pueden hacer lo mismo.

HYPULSE también puede funcionar en modo de choque reflejado. En este modo, se crea una onda de choque mediante un pistón de alta velocidad o, como en HYPULSE, una detonación del gas impulsor que estalla a través de un diafragma hacia un tubo de choque situado aguas abajo lleno con un gas de prueba. Cuando la onda de choque irrumpe en el tubo de choque, se refleja en una pared del extremo, formando una región estacionaria de gas de prueba a alta temperatura y presión. Luego, el gas caliente resultante a alta presión se expande a través de una boquilla hasta un número de Mach objetivo y fluye a través de un artículo de prueba.

En el modo de choque reflejado, HYPULSE puede producir flujos hipersónicos de alta temperatura, pero solo durante una duración muy corta de 1 a 10 milisegundos. Esto se utiliza para estudiar la aerotermodinámica del vuelo hipersónico y desarrollar materiales/superficies que puedan hacer frente. Pero durante el tiempo de prueba, HYPULSE no puede igualar el cuarto tipo de túnel hipersónico: el Arc Jet.

Los túneles hipersónicos de chorro de arco, como este de la Universidad de Texas Arlington, hacen fluir aire súper caliente a través de objetos de prueba para simular la fricción a velocidades hipersónicas.

Los túneles hipersónicos de chorro de arco hacen fluir aire supercaliente y plasma a través de los objetos de prueba para simular la fricción a velocidad hipersónica que hace que las superficies se calienten hasta más de 8.000 K (aproximadamente 15.000 °F). Pueden hacer esto en cuestión de segundos o minutos, por lo que son una herramienta óptima y fundamental para la ingeniería de materiales hipersónicos.

La Universidad de Texas-Arlington completó un túnel hipersónico de chorro de arco en 2019. Su flujo de gas de 3000 a 5000 K y su duración máxima de funcionamiento de 90 a 200 segundos significan que tiene una gran demanda por parte de los investigadores. Menos demanda, pero quizás la fidelidad más alta de Todos los túneles de viento hipersónicos son el alcance balístico. Los rangos balísticos se utilizan para estudiar la aerotermodinámica o la dinámica de impacto. En lugar de hacer fluir aire hipersónico a través de un artículo de prueba, el objeto en sí es impulsado a través del túnel. Dado que el modelo esencialmente vuela libremente, los ingenieros no tienen que compensar el flujo alrededor de un aparato de montaje, lo que hace que los datos sean más representativos del mundo real. La desventaja estriba en tener que disparar el objeto de prueba mediante una mezcla detonante o una pistola. Es posible que los objetos de prueba no mantengan la actitud deseada durante su vuelo, lo que podría hacer que se tambaleen por el túnel. El Centro de Investigación Ames de la NASA y el Campo de Pruebas de Aberdeen del Ejército operan túneles de alcance balístico. Debido a que los objetos se mueven a través de ellos a una velocidad tan alta, es difícil medir variables como las características del flujo, la separación, la temperatura o las capas límite. Fotografiar el objeto de prueba a través de una pequeña ventana a medida que pasa es una proeza de sincronización y la oportunidad de colocar sensores en el artículo en sí es limitada.

En general, la instrumentación de modelos y túneles hipersónicos puede ser discreta, por ejemplo termopares, o global, como pinturas de superficies o mediciones de campo de flujo mediante láser. La instrumentación ayuda a los ingenieros a comprender las condiciones del túnel y el impacto de las condiciones en el modelo que se está probando. Esto podría incluir velocidad, densidad, presión y calentamiento.

"Últimamente se ven muchas más instalaciones dedicadas a pruebas ópticas", explica Berger. La pintura sensible a la temperatura, los sensores infrarrojos o la termografía de fósforo de dos colores ayudan a los ingenieros a ver dónde podrían desarrollarse puntos problemáticos en una superficie.

Las pruebas de vuelo reales son obviamente el crisol hipersónico más real, pero son costosas, difíciles de obtener imágenes y generalmente emplean una pequeña cantidad de sensores en el vehículo. La recopilación de datos está limitada principalmente por anchos de banda de enlace descendente insuficientes. Además, los vehículos de prueba a menudo no se recuperan. "Muchos de ellos simplemente chapotean en el océano", dice Jewell.

La hipersónica es simplemente difícil. Como ninguna instalación terrestre puede simular o medir de manera realista todos los parámetros de un vuelo Mach 5 o superior, Occidente necesita tantos tipos diferentes de túneles hipersónicos como pueda. Eso significa hacer grandes inversiones.

La Universidad de Notre Dame está en el proceso de construir el túnel silencioso Mach 6 más grande de Estados Unidos con una sección de prueba de 60 cm (24 pulgadas) de diámetro. Notre Dame cifra el precio en 4,7 millones de dólares. Según Berger, probablemente se necesitaría una gran cantidad de bienes raíces para colocarlo. El equipo de apoyo para los túneles hipersónicos es "realmente ruidoso". Y, añade, el aire que sale de otro túnel hipersónico en Langley de la NASA, el túnel de alta temperatura de 8 pies, durante una carrera es "¡muy ruidoso!"