Teste de detonação hipersônica torna viagens espaciais ultrarrápidas mais próximas da realidade

As detonações são um tipo de explosão particularmente poderoso que se move para fora mais rápido do que a velocidade do som. A enorme explosão que abalou o porto de Beirute no Líbano em agosto passado foi uma detonação, e a destruição generalizada que causou demonstra a enorme quantidade de energia que elas podem produzir. Os cientistas há muito sonham em construir motores de aeronaves que possam aproveitar essa energia; tal nave poderia teoricamente voar de Nova York a Londres em menos de uma hora. Mas as detonações são incrivelmente difíceis de controlar e normalmente duram menos de um microssegundo, então ninguém foi capaz de torná-las realidade. Agora, uma equipe da Universidade Central da Flórida criou uma configuração experimental que permite sustentar uma detonação em uma posição fixa por vários segundos, o que os pesquisadores dizem ser um grande passo em direção a futuros sistemas de propulsão hipersônica. – O que estamos tentando fazer aqui é controlar essa detonação – disse Kareem Ahmed, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade Central da Flórida e principal autor de um novo artigo sobre a pesquisa publicado na segunda-feira na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. – Queremos congelá-la no espaço e aproveitar essa energia. Em vez de destruir edifícios, como você viu no Líbano, agora quero usá-la e produzir impulso com ela – disse Ahmed ao Live Science. "Se pudermos fazer isso, podemos viajar super-rápido." O avanço foi produzido com base em décadas de pesquisa em um sistema de propulsão teórico chamado de motor de onda de detonação oblíqua (ODWE, na sigla em inglês). O conceito funciona canalizando uma mistura de ar e combustível em velocidades hipersônicas (mais de cinco vezes a velocidade do som) em direção a uma rampa, o que cria uma onda de choque. Essa onda de choque aquece rapidamente a mistura ar-combustível e faz com que ela detone, lançando gases de escapamento da parte de trás do motor em alta velocidade resultando em muito impulso.

Quando uma mistura de ar e combustível detona dessa maneira, a combustão resultante é mais eficiente, pois quase 100% do combustível é queimado. A detonação também gera muita pressão, o que significa que o motor pode gerar muito mais empuxo do que outras abordagens.

Aeronave

Em teoria, essa detonação deveria ser capaz de impulsionar uma aeronave em até 17 vezes a velocidade do som, dizem os pesquisadores, o que poderia ser rápido o suficiente para a espaçonave simplesmente voar para fora da atmosfera, em vez de precisar de uma sustentação em foguetes.

O desafio é sustentar a detonação por tempo suficiente para impulsionar esse voo, e as demonstrações experimentais anteriores atingiram o máximo de apenas alguns milissegundos. A principal dificuldade, disse Ahmed, está em evitar que a detonação retorne em direção à fonte de combustível ou que se dissipe.

– Sempre houve a questão de: 'Bem, se você está a mantendo por um milissegundo ou mais, você apenas a manteve temporariamente?' – disse Ahmed. "Você não sabe se estabilizou ou não."

Para ver se eles poderiam melhorar o recorde anterior, Ahmed e seus colegas construíram uma série de câmaras de aproximadamente 80 centímetros de comprimento que mistura e aquece o ar e o gás de hidrogênio antes de acelerá-lo a velocidades hipersônicas e deflagrá-lo em uma rampa.

Proporções da mistura ar-combustível

Balanceando cuidadosamente as proporções da mistura ar-combustível, a velocidade do fluxo de gás e o ângulo da rampa, eles foram capazes de gerar uma detonação que permaneceu fixa na posição por cerca de 3 segundos.

Frank Lu, professor de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade do Texas em Arlington, especializado em motores baseados em detonação, disse que demonstrar uma detonação estável é uma conquista significativa.

– Acho que os pesquisadores fizeram um excelente trabalho e aguardamos novos resultados – disse Lu ao Live Science.

Ahmed disse que a estrutura do aparelho de teste não é muito diferente do design de um ODWE em escala real. O principal desafio para os pesquisadores agora é descobrir como eles podem alterar os três ingredientes principais da mistura de combustível, velocidade do ar e ângulo de rampa, mantendo a estabilidade da detonação.

– Agora, demonstramos que é viável, é mais um problema de engenharia explorar como sustentá-lo em um domínio operacional maior – disse Ahmed.