✈️ Mach 10: uma barreira tecnológica para viagens hipersônicas é superada!

Poder atravessar metade do planeta em pouco mais tempo do que a duração de um episódio da sua série favorita... O que antes era pura ficção pode em breve tornar-se nossa realidade diária, graças aos avanços recentes no campo dos voos em altíssima velocidade.

As viagens intercontinentais podem ser radicalmente transformadas pelo advento dos voos hipersônicos. Atualmente, uma viagem entre Sydney e Los Angeles leva cerca de quinze horas de voo, mas essa duração pode ser reduzida para apenas sessenta minutos. O professor Nicholaus Parziale afirma que essa tecnologia teria o efeito de "encolher o planeta", tornando as viagens mais rápidas e agradáveis.


Para atingir tais velocidades, um avião precisaria voar a Mach 10, ou seja, dez vezes a velocidade do som. O principal obstáculo reside na turbulência intensa e no calor extremo gerados quando uma aeronave corta o ar a essas velocidades. O ar não se comporta da mesma maneira em baixa e alta velocidade. Abaixo de Mach 0,3, o fluxo é considerado incompressível: a densidade do ar varia pouco, o que simplifica os cálculos de projeto. Na velocidade do som (ou seja, Mach 1), o fluxo é considerado compressível, pois o gás se comprime sob o efeito da pressão e da temperatura.

A compressibilidade modifica profundamente a maneira como o ar interage com o avião, influenciando parâmetros essenciais como a sustentação, o arrasto e o empuxo necessários para o voo. Os engenheiros dominam bem esses fenômenos nas velocidades subsônicas dos aviões de linha atuais, mas as condições encontradas entre Mach 5 e Mach 10 permanecem amplamente incompreendidas. Uma ideia diretriz, conhecida como hipótese de Morkovin, postula que o comportamento turbulento do ar nessas velocidades elevadas voltaria a ser semelhante ao observado em velocidades mais baixas, abaixo de Mach 1.

Para testar essa hipótese, a equipe de Parziale desenvolveu uma experiência engenhosa usando lasers. Eles ionizaram criptônio, um gás injetado no ar de um túnel de vento, criando uma linha fluorescente que se deforma sob o efeito das turbulências. Observando como essa linha se torce e ondula, os pesquisadores puderam analisar a estrutura do fluxo a Mach 6. Os resultados, obtidos após onze anos de desenvolvimento, indicam que o comportamento turbulento nessa velocidade está de fato próximo ao dos fluxos incompressíveis.


Essa descoberta simplificaria consideravelmente o projeto de aviões hipersônicos. Atualmente, simular numericamente todos os detalhes de um voo a Mach 6 exigiria recursos computacionais colossais, talvez até impossíveis de mobilizar. A hipótese de Morkovin permitiria fazer aproximações razoáveis, tornando esses cálculos muito mais acessíveis. As aplicações também podem se estender ao transporte espacial, permitindo o desenvolvimento de veículos capazes de alcançar a órbita terrestre baixa sem recorrer aos lançadores tradicionais.

A hipótese de Morkovin e a turbulência

A hipótese de Morkovin, formulada em meados do século XX, propõe uma visão unificadora da turbulência em diferentes velocidades. Ela sugere que o movimento desordenado do ar, caracterizado por seus vórtices e flutuações, conserva propriedades fundamentais mesmo quando a velocidade ultrapassa amplamente a do som. Essa ideia desafia a intuição de que fluxos muito rápidos seriam radicalmente diferentes dos fluxos mais lentos.

Nos fluxos compressíveis, a densidade do ar varia significativamente com a pressão e a temperatura, o que complica a análise. No entanto, Morkovin postula que a estrutura da turbulência, ou seja, a maneira como os vórtices se formam e interagem, permanece amplamente inalterada. Isso significa que os modelos matemáticos e os conceitos usados para descrever a turbulência em baixa velocidade poderiam ser adaptados em vez de substituídos.

A validação experimental dessa hipótese abre perspectivas importantes para a aerodinâmica. Se a turbulência se comporta de maneira semelhante em diferentes velocidades, os engenheiros podem contar com conhecimentos já estabelecidos para projetar veículos hipersônicos. Isso reduz a incerteza e acelera o desenvolvimento de tecnologias capazes de funcionar em condições extremas, onde erros de projeto podem ter consequências catastróficas.

Além da aeronáutica, essa compreensão da turbulência pode beneficiar outras áreas, como a meteorologia ou a energia eólica, onde fluxos rápidos e turbulentos são comuns. Uma abordagem unificada simplificaria a modelagem e melhoraria a precisão das previsões, seja para o voo de um avião ou para a trajetória de uma tempestade.