Voo hipersônico - Hypersonic flight

O vôo hipersônico é o vôo através da atmosfera abaixo de cerca de 90 km a velocidades que variam entre Mach 5-10 , uma velocidade em que a dissociação do ar começa a se tornar significativa e existem altas cargas de calor .

Veículo de reentrada (RV) após um vôo de 8.000 quilômetros (5.000 mi), 1959. Observe a ponta enegrecida do RV devido ao aquecimento aerodinâmico . Compare com o efeito do aquecimento aerodinâmico no meteorito de ferro à direita.

História

O primeiro objeto fabricado a alcançar o vôo hipersônico foi o foguete Bumper de dois estágios , que consiste em um segundo estágio WAC Corporal montado no topo de um primeiro estágio V-2 . Em fevereiro de 1949, em White Sands , o foguete atingiu uma velocidade de 8.288,12 km / h (5.150 mph), ou aproximadamente Mach 6,7. O veículo, no entanto, queimou na reentrada atmosférica , e apenas restos carbonizados foram encontrados. Em abril de 1961, o major russo Yuri Gagarin se tornou o primeiro humano a viajar em velocidade hipersônica, durante o primeiro vôo orbital pilotado do mundo . Logo depois, em maio de 1961, Alan Shepard se tornou o primeiro americano e a segunda pessoa a realizar o vôo hipersônico quando sua cápsula reentrou na atmosfera a uma velocidade acima de Mach 5 no final de seu vôo suborbital sobre o Oceano Atlântico.

Em novembro de 1961, o Major da Força Aérea Robert White pilotou o avião de pesquisa X-15 a velocidades acima de Mach 6. Em 3 de outubro de 1967, na Califórnia, um X-15 atingiu Mach 6,7, mas quando o veículo se aproximou da Base Aérea de Edwards, o aquecimento intenso associado às ondas de choque ao redor do veículo derreteu parcialmente o pilão que prendia o motor ramjet à fuselagem.

O problema de reentrada de um veículo espacial foi amplamente estudado. O NASA X-43 A voou em scramjet por 10 segundos e depois planou por 10 minutos em seu último vôo em 2004. O Boeing X-51 Waverider voou em scramjet por 210 segundos em 2013, finalmente alcançando Mach 5.1 em seu quarto teste de vôo . O regime hipersônico desde então se tornou o assunto para estudos adicionais durante o século 21 e competição estratégica entre China, Índia, Rússia e os EUA

Física

O ponto de estagnação do ar fluindo ao redor de um corpo é um ponto onde sua velocidade local é zero. Neste ponto, o ar flui em torno deste local. Uma onda de choque se forma, que desvia o ar do ponto de estagnação e isola o corpo de vôo da atmosfera. Isso pode afetar a capacidade de elevação de uma superfície de vôo para neutralizar seu arrasto e subsequente queda livre . Ning descreve um método para relacionar o número de Reynolds com o número de Mach.

Para manobrar na atmosfera em velocidades mais rápidas do que supersônicas, as formas de propulsão ainda podem ser sistemas de respiração de ar, mas um ramjet não é mais suficiente para um sistema atingir Mach 5, pois um ramjet diminui o fluxo de ar para subsônico. Alguns sistemas ( waveriders ) usam um foguete de primeiro estágio para impulsionar um corpo para o regime hipersônico. Outros sistemas ( veículos de impulso-planagem ) usam scramjets após seu impulso inicial, em que a velocidade do ar que passa pelo scramjet permanece supersônica. Outros sistemas ( munições ) usam um canhão para seu impulso inicial.

Efeito de alta temperatura

O fluxo hipersônico é um fluxo de alta energia. A razão entre a energia cinética e a energia interna do gás aumenta à medida que o quadrado do número de Mach. Quando esse fluxo entra em uma camada limite, há efeitos altamente viscosos devido ao atrito entre o ar e o objeto de alta velocidade. Nesse caso, a alta energia cinética é convertida em parte em energia interna e a energia do gás é proporcional à energia interna. Portanto, as camadas limite hipersônicas são regiões de alta temperatura devido à dissipação viscosa da energia cinética do fluxo. Outra região de fluxo de alta temperatura é a camada de choque por trás da onda de choque de arco forte. No caso da camada de choque, a velocidade do fluxo diminui descontinuamente à medida que passa pela onda de choque. Isso resulta em uma perda de energia cinética e um ganho de energia interna por trás da onda de choque. Devido às altas temperaturas por trás da onda de choque, a dissociação de moléculas no ar torna-se termicamente ativa. Por exemplo, para ar em T> 2000 K, a dissociação de oxigênio diatômico em radicais de oxigênio é ativa: O 2 → 2O

Para T> 4000 K, a dissociação de nitrogênio diatômico em radicais N é ativa: N 2 → 2N

Consequentemente, nesta faixa de temperatura, a dissociação molecular seguida pela recombinação de radicais de oxigênio e nitrogênio produz óxido nítrico: N 2 + O 2 → 2NO, que então se dissocia e recombina para formar íons: N + O → NO + + e -

Fluxo de baixa densidade

Na condição padrão do nível do mar para o ar, o caminho livre médio das moléculas de ar é aproximadamente . O ar de baixa densidade é muito mais fino. A uma altitude de 104 km (342.000 pés), o caminho livre médio é . Por causa desse grande caminho médio livre, conceitos aerodinâmicos, equações e resultados baseados na suposição de um continuum começam a quebrar, portanto, a aerodinâmica deve ser considerada a partir da teoria cinética. Este regime de aerodinâmica é denominado fluxo de baixa densidade. Para uma dada condição aerodinâmica, os efeitos de baixa densidade dependem do valor de um parâmetro não dimensional denominado número de Knudsen , definido como onde está a escala de comprimento típica do objeto considerado. O valor do número de Knudsen com base no raio do nariz,, pode ser próximo a um.

Os veículos hipersônicos freqüentemente voam em altitudes muito elevadas e, portanto, encontram condições de baixa densidade. Conseqüentemente, o projeto e a análise de veículos hipersônicos às vezes requerem consideração de fluxo de baixa densidade. Novas gerações de aviões hipersônicos podem passar uma parte considerável de sua missão em grandes altitudes e, para esses veículos, os efeitos de baixa densidade se tornarão mais significativos.

Fina camada de choque

O campo de fluxo entre a onda de choque e a superfície do corpo é chamado de camada de choque. À medida que o número de Mach M aumenta, o ângulo da onda de choque resultante diminui. Este ângulo de Mach é descrito pela equação onde a é a velocidade da onda sonora ev é a velocidade do fluxo. Como M = v / a, a equação se torna . Números de Mach mais altos posicionam a onda de choque mais perto da superfície do corpo, portanto, em velocidades hipersônicas, a onda de choque fica extremamente perto da superfície do corpo, resultando em uma fina camada de choque. Com um número de Reynolds baixo, a camada limite torna-se bastante espessa e se funde com a onda de choque, levando a uma camada de choque totalmente viscosa.

Interação viscosa

A camada limite de fluxo compressível aumenta proporcionalmente ao quadrado do número de Mach e inversamente à raiz quadrada do número de Reynolds.

Em velocidades hipersônicas, esse efeito se torna muito mais pronunciado, devido à dependência exponencial do número de Mach. Como a camada limite se torna muito grande, ela interage de forma mais viscosa com o fluxo circundante. O efeito geral dessa interação é criar uma fricção na pele muito maior do que o normal, causando maior fluxo de calor na superfície. Além disso, a pressão da superfície aumenta, o que resulta em um coeficiente de arrasto aerodinâmico muito maior. Este efeito é extremo na borda de ataque e diminui em função do comprimento ao longo da superfície.

Camada de entropia

A camada de entropia é uma região de grandes gradientes de velocidade causados ​​pela forte curvatura da onda de choque. A camada de entropia começa no nariz da aeronave e se estende a jusante perto da superfície do corpo. A jusante do nariz, a camada de entropia interage com a camada limite, o que causa um aumento no aquecimento aerodinâmico na superfície do corpo. Embora a onda de choque no nariz em velocidades supersônicas também seja curva, a camada de entropia só é observada em velocidades hipersônicas porque a magnitude da curva é muito maior em velocidades hipersônicas.

Desenvolvimento de armas hipersônicas

A arma hipersônica, demonstrando sua trajetória não parabólica (indicada em vermelho), tem uma assinatura distinta que está sendo rastreada por uma das camadas da National Defense Space Architecture (NDSA) a partir de 2021. A parcela 0 deve começar a ser implantada em 2022.
  • Os satélites do NDSA, em cinza, devem ser implantados em constelações orbitando a Terra e manter constantemente a Terra em sua visão (conforme representado pelos triângulos azuis (na verdade cones) representando os campos de visão das constelações de satélites). Os satélites devem se intercomunicar e servir aos sistemas defensivos dispostos contra as armas hipersônicas inimigas (em vermelho) e construir uma cadeia de destruição contra elas.
  • Por outro lado, se uma arma hipersônica for amigável, os satélites seguem o progresso da trajetória amigável (não mostrada) e realizam avaliação de dano de batalha do ataque contra seu alvo. Consulte JADC2 ( comando e controle conjunto de todos os domínios )

No ano passado, a China testou mais armas hipersônicas do que em uma década. Temos que consertar isso.

Dois tipos principais de armas hipersônicas são os mísseis de cruzeiro hipersônicos e os veículos planadores hipersônicos . As armas hipersônicas, por definição, viajam cinco ou mais vezes a velocidade do som. Os mísseis de cruzeiro hipersônicos, movidos por scramjet , são limitados a menos de 100.000 pés (30.000 m); Os veículos de deslizamento hipersônico podem viajar mais alto. Comparado a uma trajetória balística (parabólica), um veículo hipersônico seria capaz de desvios de grande ângulo de uma trajetória parabólica. De acordo com um relatório de julho de 2019 da CNBC, Rússia e China lideram o desenvolvimento de armas hipersônicas, seguida pelos Estados Unidos, e neste caso o problema está sendo tratado em um programa conjunto de todo o Departamento de Defesa. Para atender a essa necessidade de desenvolvimento, o Exército está participando de um programa conjunto com a Marinha e a Força Aérea, para desenvolver um planador hipersônico. A Índia também está desenvolvendo essas armas. França e Austrália também podem estar buscando a tecnologia. O Japão está adquirindo tanto scramjet (Hypersonic Cruise Missile) e armas de impulso-planagem (Hyper Velocity Gliding Projectile).

A entrega de armas hipersônicas Waverider é uma via de desenvolvimento. O chinês XingKong-2 (星空 二号, Starry-sky-2 ), um waverider, fez seu primeiro vôo em 3 de agosto de 2018. Em agosto de 2021, a China lançou um veículo planador para a órbita terrestre baixa, circulando a Terra antes de manobrar em direção ao seu alvo localização, para uma perda de duas dezenas de milhas . No entanto, a China respondeu que o veículo era uma espaçonave, e não um míssil.

Em 2016, acredita-se que a Rússia realizou dois testes bem-sucedidos do Avangard , um veículo planador hipersônico. O terceiro teste conhecido, em 2017, falhou. Em 2018, um Avangard foi lançado na base do míssil Dombarovskiy , atingindo seu alvo no campo de tiro Kura , uma distância de 3700 milhas (5955 km). A Avangard usa novos materiais compostos que devem suportar temperaturas de até 2.000 graus Celsius (3.632 graus Fahrenheit). O ambiente do Avangard em velocidades hipersônicas atinge essas temperaturas. A Rússia considerou sua solução de fibra de carbono não confiável e a substituiu por novos materiais compostos. Dois veículos planadores hipersônicos (HGVs) da Avangard serão montados primeiro em ICBMs SS-19 ; em 27 de dezembro de 2019, a arma foi enviada pela primeira vez para a Divisão de Mísseis Yasnensky, uma unidade no Oblast de Orenburg . Em um relatório anterior, Franz-Stefan Gady nomeou a unidade como 13º Regimento / Divisão Dombarovskiy (Força de Mísseis Estratégicos).

Estes testes têm solicitado respostas dos EUA no desenvolvimento de armas por John Hyten 's USSTRATCOM declaração 05:03, 08 de agosto de 2018 (UTC). Pelo menos um fornecedor está desenvolvendo cerâmicas para lidar com as temperaturas dos sistemas hipersônicos. Existem mais de uma dúzia de projetos hipersônicos nos Estados Unidos em 2018, observa o comandante do USSTRATCOM; a partir do qual um futuro míssil de cruzeiro hipersônico é procurado, talvez por Q4 incêndios precisão gama FY2021.The Long (LRPF) CFT está apoiando Espaço e Missile Defense Command busca de hypersonics 's. Os programas conjuntos em hipersônica são informados pelo trabalho do Exército; entretanto, no nível estratégico, a maior parte do trabalho hipersônico permanece no nível Conjunto. Long Range Precision Fires (LRPF) é uma prioridade do Exército e também um esforço conjunto do DoD. O Common Hypersonic Glide Body (C-HGB) do Exército e da Marinha teve um teste bem-sucedido de um protótipo em março de 2020. Um túnel de vento para testar veículos hipersônicos será construído no Texas (2019). O Míssil Hipersônico com Base em Terra do Exército "tem um alcance de 1.400 milhas (2.300 km)". Adicionando propulsão de foguete a uma cápsula ou corpo deslizante, o esforço conjunto reduziu em cinco anos o tempo provável de campo para sistemas de armas hipersônicas. As contramedidas contra a hipersônica exigirão a fusão dos dados do sensor: os dados de rastreamento do radar e do sensor infravermelho serão necessários para capturar a assinatura de um veículo hipersônico na atmosfera. Existem também sistemas hipersônicos desenvolvidos de forma privada, assim como críticos.

O DoD testou um Corpo de Deslizamento Hipersônico Comum (C-HGB) em 2020. De acordo com o cientista-chefe da Força Aérea, Dr. Greg Zacharias , os EUA prevêem ter armas hipersônicas na década de 2020, drones hipersônicos na década de 2030 e aeronaves drones hipersônicas recuperáveis ​​pela 2040. O foco do desenvolvimento do DoD será em sistemas hipersônicos de impulso-deslizamento com respiração aérea . O combate a armas hipersônicas durante a fase de cruzeiro exigirá um radar de maior alcance, bem como sensores baseados no espaço e sistemas de rastreamento e controle de fogo. Um relatório de meados de 2021 do Serviço de Pesquisa do Congresso afirma que é "improvável" que os Estados Unidos apresentem um veículo planador hipersônico operacional (HGV) até 2023.

Rand Corporation (28 de setembro de 2017) estima que há menos de uma década para prevenir a proliferação de mísseis hipersônicos. Da mesma forma que os mísseis antibalísticos foram desenvolvidos como contramedidas aos mísseis balísticos , as contramedidas aos sistemas hipersônicos ainda não estavam em desenvolvimento, em 2019. Ver National Defense Space Architecture (2021), acima . Mas em 2019, $ 157,4 milhões foram alocados no orçamento do Pentágono para o ano fiscal de 2020 para defesa hipersônica, de $ 2,6 bilhões para todas as pesquisas relacionadas à hipersônica. $ 207 milhões do orçamento do AF2021 foram alocados para hipersônicos defensivos, acima da alocação orçamentária do AF2020 de $ 157 milhões. Os Estados Unidos e a Rússia retiraram-se do Tratado de Forças Nucleares de Alcance Intermediário (INF) em fevereiro de 2019. Isso estimulará o desenvolvimento de armas, incluindo armas hipersônicas, no ano fiscal de 2019 e adiante. Em 2021, a Agência de Defesa de Mísseis estava financiando contramedidas regionais contra armas hipersônicas em sua fase de planação .

A Austrália e os EUA começaram o desenvolvimento conjunto de mísseis hipersônicos lançados do ar, conforme anunciado por uma declaração do Pentágono em 30 de novembro de 2020. O desenvolvimento terá como base a Experimentação de Pesquisa de Voo Hipersônica Internacional de US $ 54 milhões (HIFiRE) sob a qual ambas as nações colaboraram durante um Período de 15 anos. Todas as pequenas e grandes empresas contribuirão para o desenvolvimento desses mísseis hipersônicos.

Em 2021, o DoD está codificando as diretrizes de teste de vôo, o conhecimento obtido com o ataque rápido convencional (CPS) e os outros programas hipersônicos, apenas para cerca de 70 programas de P&D hipersônicos , a partir de 2021. Em 2021, Heidi Shyu , subsecretária de Defesa para Pesquisa e a Engenharia (USD (R&E)) está buscando um programa de experimentos conjuntos rápidos anuais, incluindo capacidades hipersônicas, para reduzir seu custo de desenvolvimento.

França , Austrália , Índia , Alemanha e Japão também têm programas de pesquisa de armas hipersônicas.

Aeronave voada

Aeronave hipersônica

Aviões espaciais

Aeronave cancelada

Aeronave hipersônica

Aviões espaciais

Desenvolvimento e proposta de aeronaves

Aeronave hipersônica

Mísseis de cruzeiro e ogivas

  • Estados Unidos Arma Hipersônica Avançada
  • Estados Unidos Arma de resposta rápida lançada do ar AGM-183A (ARRW, pronuncia-se "seta") Os dados de telemetria foram transmitidos com sucesso do ARRW —AGM-183A IMV-2 (Veículo de Medição Instrumentado) para as estações terrestres Point Mugu, demonstrando a capacidade de transmitir rádio com precisão em velocidades hipersônicas; entretanto, a sequência de lançamento do ARRW não foi concluída em 4 de agosto de 2021. Centenas de ARRWs ou outras armas hipersônicas estão sendo procuradas pela Força Aérea.
  • Estados UnidosDemonstrador Multi-missão de Respiração Aérea Hipersônica Expendable ("Mayhem") Baseado em HAWC e HSSW: "míssil de cruzeiro convencional hipersônico, impulsionado por foguete sólido, respirável a ar", uma continuação do AGM-183A. Até o momento, nenhum trabalho de design foi feito.
  • Estados UnidosConceito de arma de respiração hipersônica (HAWC, pronuncia-se "falcão"). Setembro de 2021: HAWC é financiado pelo DARPA. Construído pela Raytheon e Northrup Grumman, HAWC é o primeiro míssil hipersônico com motor scramjet dos EUA a completar com sucesso um teste de vôo livre na década de 2020. Os objetivos da DARPA para o teste, que foram cumpridos com sucesso, foram: "integração do veículo e sequência de liberação, separação segura da aeronave de lançamento, ignição e reforço de reforço, separação de reforço e ignição do motor e cruzeiro". HAWC é capaz de manobras sustentadas e potentes na atmosfera. HAWC parece depender de um impulsionador de foguete para acelerar a velocidades de scramjet operando em um ambiente rico em oxigênio. É mais fácil colocar um buscador em um veículo subsônico que respire ar.
  • Estados Unidos Arma de ataque convencional hipersônica (cancelada)
  • União Soviética Kh-45 (cancelado)
  • Rússia Avangard
  • Rússia Kinzhal
  • Rússia Zircão
  • Índia Veículo demonstrador de tecnologia hipersônica
  • Índia HGV-202F Hypersonic Glide Vehicle
  • Índia/ Brahmos-IIRússia
  • China DF-ZF

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • David Wright e Cameron Tracy, "Over-hyped: Physics dita que as armas hipersônicas não podem cumprir as grandes promessas feitas em seu nome", Scientific American , vol. 325, não. 2 (agosto de 2021), pp. 64–71. Citação da p. 71: "A falha em avaliar totalmente [os benefícios e custos potenciais das armas hipersônicas] é uma receita para desperdício de gastos e aumento do risco global."

links externos